Lari Korkiakoski HANHIKIVI 1 -YDINVOIMALAN JÄÄHDYTYSVEDEN HYÖDYNTÄMISMAHDOLLISUUDET

Transkriptio

1 Lari Korkiakoski HANHIKIVI 1 -YDINVOIMALAN JÄÄHDYTYSVEDEN HYÖDYNTÄMISMAHDOLLISUUDET

2 HANHIKIVI 1 -YDINVOIMALAN JÄÄHDYTYSVEDEN HYÖDYNTÄMISMAHDOLLISUUDET Lari Korkiakoski Opinnäytetyö Syksy 2015 Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma Oulun ammattikorkeakoulu

3 TIIVISTELMÄ Oulun ammattikorkeakoulu Kone- ja tuotantotekniikka, energiatekniikka Tekijä: Lari Korkiakoski Opinnäytetyön nimi: Hanhikivi 1 -ydinvoimalan jäähdytysveden hyödyntämismahdollisuudet Työn ohjaajat: Jukka Ylikunnari, Minttu Hietamäki Työn valmistumislukukausi ja -vuosi: syksy 2015 Sivumäärä: liitettä Tämä työ käsittelee Hanhikivi 1 -ydinvoimalan jäähdytysveden mahdollisia käyttökohteita, joissa mereen menevää lämpöenergiaa saadaan kannattavasti hyödynnettyä. Työssä on tuotu esille ideoita käyttökohteiksi sekä selvitetty alustavasti käyttöideoiden taloudellista kannattavuutta. Työ toteutettiin teoriapohjaisena tutkimuksena, jossa esitettyjen ideoiden hyötykäyttöä tarkasteltiin kriittisesti ja laskettiin alustavasti taloudellista kannattavuutta. Työssä on esitetty potentiaalisimmat käyttöideat perusteellisesti. Tehtyjen tutkimusten pohjalta työssä on annettu suosituksia niistä käyttökohteista, joihin kannattaa perehtyä tarkemmin, mikäli ideoita halutaan toteuttaa käytännössä. Työn tuloksen mukaisesti yksinkertaisin vaihtoehto jäähdytysveden lämmölle on johtaa se talvella jäähdytysveden imukanavaan olosuhteissa, joissa alijäähtynyt vesi voi muodostaa imukanan tukkivan supon. Toinen potentiaalinen vaihtoehto on käyttää jäähdytysveden lämpöenergiaa lämpöpumpun avulla laitosalueen rakennusten lämmitykseen, jolloin primäärienergian kulutusta voidaan säästää huomattavasti. Lämpöpumpun avulla jäähdytysveden lämpöenergiaa voidaan hyödyntää kannattavasti myös muissa paljon lämpöenergiaa vaativissa kohteissa kuten biokaasulaitoksessa. Lämpöä käyttävät kohteet tulee kuitenkin sijoittaa voimalaitoksen välittömään läheisyyteen, jotta toiminta on kannattavaa. Asiasanat: energiatehokkuus, hukkalämpö, lämpöpumppaus, jäähdytysvesi, ydinvoima 3

4 ALKULAUSE Aiheena Hanhikiven jäähdytysveden hyödyntämisen suunnittelu oli minulle mielenkiintoinen ja motivoiva. Työtä tehdessäni pystyin hyödyntämään opintojeni aikana kerryttämiäni ammatillisia tietoja ja taitoja. Ensimmäisenä haluaisin kiittää toimeksiantajan edustajaa ydintekniikan asiantuntijaa Minttu Hietamäkeä tämän työn toteuttamisen mahdollistamisesta ja asiantuntemuksesta sekä opettajaani Jukka Ylikunnaria ohjauksesta ja neuvonnasta. Haluan myös kiittää avopuolisoani Millaa hänen antamastaan tuesta Lari Korkiakoski 4

5 SISÄLLYS TIIVISTELMÄ 3 ALKULAUSE 4 SISÄLLYS 5 1 JOHDANTO 7 2 HANHIKIVI 1 -YDINVOIMALA Ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate Reaktori Primääri- ja sekundääripiiri Merivesipiiri 10 3 JÄÄHDYTYSVEDEN HYÖDYNTÄMINEN Ydinvoimalan hukkaenergian hyödyntäminen maailmalla Jäähdytysveden hyödyntämisen kannattavuus Jäähdytysveden lämpöenergian hyödyntäminen lämpöpumpulla Lämpöpumpun käyttö lämmitysveden tuotantoon Lämpöpumpputyypit Mekaanisen lämpöpumpun toimintaperiaate Mekaanisen lämpöpumpun carnot-lämpökerroin Todellinen lämpöpumppu Absorptiolämpöpumput Absorptiolämpöpumpun toiminta Jäähdytysveden hyödyntäminen absorptiopumpulla 23 4 LÄMMÖN KÄYTTÖKOHTEIDEN KARTOITUS Laitoksen kiinteistöjen lämmitys Lämpöpumppauspotentiaali Lämmitysenergiantarve laitoksen kiinteistöissä Lämmitystehontarve Käyttöveden lämmitys Lämpöpumppauksen kannattavuuden arviointi Lämpöpumppulaitteiston investointikustannukset Lämpöakku OTEC 50 5

6 4.4 Pihojen sulatus talvella Sulanapidon hyötyjen ja haittojen vertailu Sulatuksen perusteet Jäähdytysveden ottokanavan sulanapito talviaikaan 54 5 KÄYTTÖKOHTEITA LAITOSALUEEN ULKOPUOLELLA Käyttö kaukolämpönä Asuinalueen lämmitys Kasvihuoneen lämmitys Suomalaiset kasvihuoneet Kasvihuoneen lämmitysratkaisut Jäähdytysveden hyödyntämistä lämpöpumpulla kasvihuoneessa Biopolttoaineen kuivatus Hakkeenkuivatus Jäähdytysveden käyttö hakkeenkuivaukseen Biokaasun tuotantoon Biokaasu Lämpöpumppaus biokaasuvoimalaan Biokaasun käyttö Urheilupuiston lämmitys 73 6 YHTEENVETO 74 LÄHTEET 76 LIITTEET 81 6

7 1 JOHDANTO Fennovoima Oy rakentaa Pyhäjoen Hanhikivenniemelle Hanhikivi 1 -ydinvoimalaitoksen. Hanhikivi 1 tulee käynnissä ollessaan tuottamaan MW:n lämpötehon, josta saadaan sähköntuotantoon hyödynnettyä noin MW:n teho. Ylijäävä lämpöteho eli noin MW johdetaan jäähdytysveden mukana mereen. (1, s. 31.) Tämän työn tavoitteena on ideoida ja tutkia vaihtoehtoisia tekniikoita sekä käyttökohteita, jotta mereen johdettavaa lämpöenergiaa voitaisiin kannattavasti hyödyntää. Fennovoima Oy:n on mahdollista tutkia ja suunnitella työssä esitettyjä käyttöideoita enemmän sekä mahdollisesti hyödyntää niitä käytännössä. Käyttökohteiden suunnittelu aloitettiin keräämällä tietoa eri käyttökohteista, joihin voitaisiin hyödyntää suurta määrää matalalämpöistä energiaa. Suurimmaksi haasteeksi käyttökohteita suunniteltaessa voi muodostua jäähdytysveden matala lämpötila, joka on vuodenajasta riippuen vain C meriveden lämpötilaa korkeampi (1, s. 125). Jäähdytysveden matalan lämpötilan vuoksi on myös mietittävä vaihtoehtoisia tapoja muuttaa jäähdytysveden lämpöenergiaa käyttökelpoisempaan muotoon, jolloin mahdollisten käyttökohteiden määrä on suurempi. Käyttökohteiden suunnittelussa tulee huomioida myös ydinvoimalan turvaetäisyyden vaikutus. Turvaetäisyys asettaa rajoituksia voimalaitoksen läheisyyteen rakentamiseen, mikä rajoittaa mahdollisia käyttökohteita. Jäähdytysveden hyötykäyttöä on aiemmin pohdittu ja suunniteltu suhteellisen paljon, mutta laajamittaista hyödyntämistä ei toistaiseksi ole toteutettu osittain aiemmin mainittujen ongelmien takia. Jäähdytysveden lämpöenergian hyötykäyttöä on rajoittanut myös se, ettei lämmölle ole ollut lähistöllä käyttökohteita, joissa lämpöä olisi voinut hyödyntää. 7

8 2 HANHIKIVI 1 -YDINVOIMALA Fennovoima Oy rakentaa Pyhäjoelle ydinvoimalaitoksen, jonka laitostoimituksesta vastaa venäläinen Rosatom. Laitoksen tämänhetkinen nimi on Hanhikivi 1. Laitos tulee olemaan tyypiltään AES-2006-painevesilaitos, joka on moderni kolmannen sukupolven ydinvoimalaitos. Laitoksen tekniikka perustuu 40 vuotta kehityksessä ja käytössä olleeseen VVER-teknologiaan, jonka uusin kehitysversio Hanhikivi 1 tulee olemaan. (1, s. 10.) Hanhikiviniemi, johon laitos rakennetaan, sijaitseen noin 20 km etäisyydellä Raahesta ja noin 100 km etäisyydellä Oulusta (1 s. 13). Pitkät etäisyydet suuriin asukaskeskuksiin tekevät lämmön siirtämisen niihin vaikeiksi ja kalliiksi. Toisaalta myös Raahen ja Oulun kaukolämmön tuotannossa hyödynnetään omaa paikallisen teollisuuden ylijäämälämpöä, mikä vähentää lämmön siirtämisen kannattavuutta näille alueille. Näiden seikkojen vuoksi tämän työn tarkastelua rajataan siten, että jäähdytysveden lämmölle mietitään käyttökohteita paikallisesti noin 10 km:n säteellä laitoksesta. 2.1 Ydinvoimalaitoksen toimintaperiaate Hanhikivi 1 -ydinvoimalaitoksessa sähkö tuotetaan samoin toimintaperiaattein kuin missä tahansa lauhdevoimalassa: kuumentamalla vesi höyryksi ja pyörittämällä sen avulla turbiinia, joka on kytketty sähköä tuottavaan generaattoriin. Perinteisistä voimalaitoksista Hanhikivi eroaa lämmönlähteeltään, sillä ydinvoimaloissa lämpö tuotetaan fissioreaktion avulla polttoaineen polttamisen sijaan. Hanhikiven tuleva ydinreaktori on tyypiltään painevesireaktori. Reaktorissa kiertää tavallista vettä, joka pidetään korkeassa paineessa höyrystymisen estämiseksi. (Kuva 1.) (2.) Hanhikivelle rakennettavassa AES-2006-ydinvoimalaitoksessa turbiinin avulla saadaan reaktorissa tuotetusta MW:n lämpötehosta muutettua sähköksi noin 37 %, joka vastaa noin MW:n sähkötehoa. Ylijäävä lämpöteho, eli noin MW, siirretään mereen jäähdytysveden mukana. (1, s. 31.) 8

9 KUVA 1. Painevesireaktorin toimintaperiaate (1, s. 53) Reaktori Fissioreaktio on atomitasolla tapahtuva atomin halkeaminen, jossa halkeavasta polttoaineatomista vapautuu valtava määrä lämpöä sekä kaksi tai useampia nopeaa neutronia. Hidastuessaan neutronit voivat halkaista uusia polttoaineatomeja. Hidastinaineena painevesireaktorissa käytetään vettä, joka samalla jäähdyttää ydintä. Itsensä ylläpitävä ketjureaktio saavutetaan, kun jokaista fissiota kohden tuotetaan yksi hidas neutroni, joka halkaisee uuden polttoaineatomin. (3, s ) Ketjureaktiota hallitaan ytimestä sisään ja ulos liikkuvilla säätösauvoilla. Säätösauvat valmistetaan neutroneita voimakkaasti absorboivasta materiaalista. Reaktorin sisään työnnettynä ne absorboivat neutroneita niin, ettei ketjureaktio jatku itsenäisesti. Oikeassa asennossa ollessaan säätösauvat sallivat hallitun ja jatkuvan ketjureaktion, jolloin lämmöntuotanto tasaista. (3, s ) Primääri- ja sekundääripiiri Ydinreaktiossa syntynyt lämpö siirtyy hidastinaineena toimivaan veteen, jonka paine pidetään korkeana 162 bar:ssa. Korkean paineen takia noin 330-celsius- 9

10 asteinen vesi ei pääse kiehumaan korkeasta lämpötilasta huolimatta (2). Painetta ylläpidetään ja säädetään erillisessä paineistimessa, jossa paineen säätö tapahtuu säätelemällä siellä olevan veden lämpötilaa (3, s. 244). Ydinreaktorissa kiertävän korkeapaineisen veden piiriä kutsutaan primääripiiriksi, josta lämpö siirretään höyrystimen suurilla lämmönvaihtimilla sekundääripiiriin. Koska primääripiirin vesi täytyy pitää nestemäisenä, ei sen lämpötilaa voida nostaa yli kriittisen pisteen, jonka ylittyessä vesi höyrystyisi korkeasta paineesta huolimatta. Tämän rajoitteen vuoksi on painevesireaktorin sekundääripiiriin tuotettu höyry kylmempää kuin lauhdevoimaloissa, joissa tuorehöyryn lämpötila on yleensä yli 500 C (3, s. 90). Höyrystimessä sekundääripiirin matalapaineisempi noin 68 bar vesi höyrystyy 283-celsiusasteiseksi kylläiseksi höyryksi, joka johdetaan turbiiniin. Höyry johdetaan ensin korkeapainepuolelle, jossa se paisuu ja jäähtyy pyörittäen turbiinia. Korkeapainepuolen jälkeen matalapaineista 5,4 bar höyryä tulistetaan päähöyrylinjasta saatavan höyryn avulla noin 260 C:seen. Tulistettu höyry johdetaan turbiinin matalapaineosaan, jossa paine ja lämpötila laskevat luovuttaen lisää energiaa turbiinin pyörintäliikkeeksi. (4.) Merivesipiiri Matalapaineturbiinin jälkeen höyry virtaa lauhduttimeen. Lauhdutin on valtava lämmönsiirrin, jossa sekundääripiirin höyry lauhdutetaan vedeksi kylmän meriveden avulla. Hyötysuhteen maksimoimiseksi lauhduttimen lämpötila pyritään saamaan alhaiseksi, jolloin lauhduttimen paine laskee mahdollisimman matalaksi ja höyryä voidaan paisuttaa turbiinissa pidempään. (3, s ) Lauhduttimen matalan lämpötilan vuoksi, lämpenee jäähdytyksessä käytettävä merivesi vain C laitoksen läpi kulkiessaan. Jäähdytysveden virtausmäärä on kuitenkin valtava, noin 45 m 3 sekunnissa. (1, s. 13.) Ydinvoimalassa jäähdytysveteen sitoutuu valtava lämpöteho, jota ei kuitenkaan voida hyödyntää kuten vastapainevoimalaitoksissa, joissa lauhduttimessa vallitseva paine tiivistää höyryn vedeksi korkeammassa lämpötilassa. Näin ollen korkeampi lauhduttimen lämpötila mahdollistaa vastapainelaitoksissa kaukolämmön tuotannon. (3, s. 22.) Vastapaineen vaikutuksesta turbiinin teho kuitenkin 10

11 laskee huonontaen sähköntuotannon hyötysuhdetta, jonka takia ydinvoimaloissa ei hyödynnetä ylijäävää lämpöä, sillä niissä pyritään maksimoimaan tuotetun sähkön määrä. 11

12 3 JÄÄHDYTYSVEDEN HYÖDYNTÄMINEN Voimalaitoksesta tulevan jäähdytysveden lämpötila on suoraan verrannollinen meriveden lämpötilaan, sillä laitoksen läpi virratessaan se lämpenee vain noin C, mikä tekee lämpöenergian hyödyntämisen haastavaksi. Suomen olosuhteissa meriveden lämpötila vaihtelee vuoden ajasta riippuen voimakkaasti, minkä takia myös jäähdytysveden lämpötila vaihtelee vuodenajan mukaan. Vuosina korkein mitattu merivedenlämpötila Hanhikiven niemen edustalla on ollut 18,7 C. Pidemmällä aikavälilläkään ei ole havaittu yli 20 C:n lämpötiloja. Talviaikaan meriveden lämpötila voi suolapitoisuuden vuoksi laskea meriveden jäätymispisteeseen 0,2 C:seen. (1, s. 124.) Merestä otettavan jäähdytysveden lämpötilaan vaikuttaa myös laitoksesta tuleva lämmennyt vesi, joka nostaa simulointien mukaan pintaveden lämpötilaa myös vedenottopaikalla muutamilla asteilla. Syvempiin vesikerroksiin, eli noin 4 11 metrin syvyyteen, josta jäähdytysvesi pumpataan (1, s. 131), ei lämmenneellä vedellä oleteta olevan vaikutusta (1, s. 135). Näiden tietojen perusteella voidaan arvioida laitoksen normaalin käynnin aikana mereen laskettavan jäähdytysveden lämpötilan vaihtelevan vuoden aikana välillä C. Laitoksesta tulevan jäähdytysvesi sisältää paljon lämpöenergiaa, mutta matalan lämpötilan vuoksi on sen exergiakin matala. Matalan exergian takia veden hyödyntäminen suoraan eri käyttötarkoituksiin on haastavaa. Suuri lämpöenergian määrä selittyykin suurella virtauksella, joka on noin 45 m 3 /s. Esimerkiksi kaukolämmitys suoraan jäähdytysveden lämpöä hyödyntämällä ei ole mahdollista, koska sen lämpötila on liian matala. 3.1 Ydinvoimalan hukkaenergian hyödyntäminen muissa laitoksissa Matalan lämpötilan vuoksi maailmalla toimivissa ydinvoimaloissa ei juurikaan ole hyödynnetty hukkaan menevää lämpöenergiaa pieniä kokeellisia projekteja lukuun ottamatta. Esimerkiksi Olkiluodon ydinvoimalassa on kokeiltu kylmänarkojen kasvien kuten sokerimaissin, vesimelonin ja viinirypäleiden kasvatusta jäähdytysvedellä lämmitetyssä maaperässä. Heikkojen tulosten takia on kokeiluista kuitenkin luovuttu. Olkiluodossa on myös tällä hetkellä meneillään kokeilu, 12

13 jossa täplärapujen sekä muutamien kalalajien kasvatusta jäähdytysvedellä lämmitetyssä vedessä tutkitaan. Ainakin täplärapujen kasvatuksessa on lämmön avulla saatu niiden kasvua nopeutettua. (5.) 3.2 Jäähdytysveden hyödyntämisen kannattavuus Jäähdytysveden hyödyntämistä suunniteltaessa on olennaista miettiä saatavia hyötyjä verrattuna syntyviin kustannuksiin. Investointi lämmön hyödyntämisen vaatimaan tekniikkaan on suurin yksittäinen kuluerä. Tämän kuluerän takaisinmaksuaika sanelee hyvin pitkälti projektin kannattavuuden. Jäähdytysveden lämpöenergian hyödyntämistä on ajateltava mahdollisuutena säästää laitoksen kokonaiskustannuksissa ja primäärienergian kulutuksessa (6). Kustannussäästöä syntyy, kun hukkaenergian hyödyntämiskustannukset ovat pienemmät verrattuna siihen, miten kyseinen energia tuotettaisiin muilla keinoin. Käyttökohteiden suunnittelun yhteydessä on laskettu arvioita syntyvistä kuluista ja saatavasta hyödystä, jotta voidaan arvioida suurpiirteisesti jäähdytysveden hyötykäytön kannattavuutta. 3.3 Jäähdytysveden lämpöenergian hyödyntäminen lämpöpumpulla Lämpöpumppujen suosio on viime vuosina kasvanut. Suosion kasvaminen johtuu niiden kyvystä tuottaa edullista lämpöä hyödyntämällä esimerkiksi maaperän lämpöä rakennusten lämmitykseen. (7.) Lämpöpumput ovat toimintaperiaatteeltaan yksinkertaisia sekä varmatoimisia, ja niitä käytetään maailmalla moniin eri sovelluksiin, kun halutaan tuottaa kuumaa tai kylmää lämpövirtaa. Lämpöpumppuinvestoinnin kannattavuus voidaan määritellä saatavan lämmön ja lämpöpumpun ottaman käyttöenergian hintaerolla. Mikäli ero on pieni ja saatavat lämpömäärät vähäisiä, voi investoinnin takaisinmaksuaika kasvaa erittäin pitkäksi, jolloin investointi on kannattamaton. Lämpöpumppuinvestointia suunniteltaessa on olemassa reunaehtoja, joiden täyttyessä voidaan lämpöpumpun päätellä olevan lähtökohtaisesti kannattava investointi. (8, s. 16.) 13

14 Lämpöpumppaus on kannattavaan, kun 1. lämpöpumppu luovuttaa lämpöenergiaa siinä muodossa, että se voi korvata ostoenergiaa 2. lämpöpumpun käyttöön vaadittu energia maksaa vähemmän kuin pumpulla tuotettu energia 3. lämpöpumppulaitteistoon tehdyn investoinnin takaisinmaksuaika on riittävän lyhyt. (8, s. 16.) Lämpöpumpun käyttö lämmitysveden tuotantoon Lämpöpumpuissa voidaan käyttää hyödyksi matalalämpöistä ylijäämälämpöä, jota on ympäristössä runsaasti saatavilla mutta jonka lämpötila on liian matala sen hyödyntämiseen suoraan kohteessa. Lämpöpumpun avulla matalalämpöisen ylijäämälämmön sisältämä energia hyödynnetään käyttökelpoisen lämmön tuottamiseen. (8, s. 15.) Lämpöpumpulla on mahdollista hyödyntää Hanhikiven ydinvoimalan jäähdytysvettä eri tarkoituksiin, esimerkiksi kiinteistöjen lämmitykseen. Laitoksesta tuleva jäähdytysveden lämpötila vaihtelee C:n välillä (1, s. 123). Tällainen jäähdytysvesi soveltuu erinomaisesti lämpöpumpulla hyödynnettäväksi lämmönlähteeksi. Lämpöpumpulla voitaisiin tuottaa lämpöä myös niissä tilanteissa, kun laitos ei ole käynnissä, esimerkiksi huoltokatkoksen aikana, sillä lämpöpumpulla voidaan hyödyntää jopa 0 C:n lämpötiloja. Näissä tapauksissa lämpöpumpun hyötysuhde kuitenkin laskee. Lämpöpumpulla jäähdytysveden lämpöenergiaa voitaisiin siirtää käyttökelpoisempaan muotoon sen sijaan, että se johdettaisiin suoraan vesistöön ilman minkäänlaista hyödyntämistä. Teoriassa lämpöpumpulla voitaisiin hyödyntää valtavat määrät mereen laskettavasta MW:n lämpötehosta, mutta koska käyttö rajoittuu laitoksen omaan ja lähiseudun käyttöön, ei lämpöenergian määrästä voida hyödyntää kuin murto-osa. Markkinoilla on tarjolla eri tehoisia ja eri käyttötarkoituksiin sopivia lämpöpumppuja. Yksittäisten teollisten lämpöpumppujen lämpötehot vaihtelevat kw:n välillä, mutta lämpöpumppuyksiköitä voidaan myös kytkeä rinnakkain. Rinnakkain kytkemällä niitä voidaan käyttää senhetkisen lämmitystehon tarpeen mukaan. 14

15 Lämpöpumpun valintakriteereiksi voidaan asettaa seuraavia ehtoja: Tuotettu lämpövirta soveltuu käyttökohteisiin, joissa vaaditaan C:n lämpötilaa. Lämmöntalteenotto vedestä ja siirto veteen tai ilmaan. Laitteisto kykenee hyödyntämään lämmönlähteen muuttuvia +10 C +30 C:n lämpötiloja. Lämpöpumpulla tuotetun lämpövirran lämpötilaa voidaan säätää tarpeen mukaan. Jäähdytysveden hyödyntäminen on kannattavampaa kuin muilla lämmitysmuodoilla toteutettu lämmitys. Esimerkkinä matalalämmön hyödyntämisestä lämpöpumppauksella toimii Turku Energian Kakolanmäen lämpöpumppulaitos, jossa tuotetaan kaukolämpöä ja kaukokylmää noin C:n jäteveden lämpöenergiasta. Lämmön tuoton maksimi teho on 18 MW ja kylmän tuoton 10 MW, ja lämpösuhteeksi, eli COPluvuksi, ilmoitetaan 3,2. (9.) Turku Energian tapaus on hyvä vertailukohta, sillä siellä hyödynnettävän lämmönlähteen lämpötila on samaa luokkaa kuin Hanhikiven jäähdytysvesi. Tästä syystä voidaan arvioida, että myös voimalaitoksen jäähdytysveden lämpöenergiaa voidaan hyödyntää lämpöpumppauksen avulla kannattavasti. Ydinvoimalan jäähdytysvettä hyödyntämällä voitaisiin saavuttaa myös parempi COP-luku, sillä lämmönlähteen lämpötila on korkeampi Lämpöpumpputyypit Lämpöpumput voidaan jakaa karkeasti kahteen eri kategoriaan: avoimen kierron ja suljetun kierron lämpöpumppuihin. Avoimen kierron pumput voidaan perustellen jättää tarkastelun ulkopuolelle, sillä ne soveltuvat vain kaasumaisten aineiden, esimerkiksi höyryn, lämmönkorotukseen. Suljetun kierron lämpöpumput voidaan vielä jakaa eri kategorioihin toimintaperiaatteiden mukaisesti: mekaanisiin kompressorilämpöpumppuihin sekä absorptiolämpöpumppuihin. (10, s. 16.) 15

16 3.4 Mekaanisen lämpöpumpun toimintaperiaate Mekaanisen lämpöpumpun toiminta perustuu laitteen koneistossa kierrätettävän kylmäaineen matalassa paineessa ja lämpötilassa tapahtuvaan höyrystymiseen sekä höyrystimessä lämmenneen ja korkeampaan paineeseen pumpatun höyryn lauhtumiseen takaisin nestemäiseksi (11, s. 30). Kuvassa 2 on esitettynä lämpöpumpun toiminta yksinkertaisimmillaan. Höyrystimelle (1) johdetaan hyödynnettävää matalalämpöä. Höyrystimessä lämpö höyrystää matalassa paineessa olevan kylmäaineen. Höyrystyessään kylmäaine sitoo lämpöenergiaa ympäristöstään, eli tässä tapauksessa ydinvoimalan jäähdytysvedestä. Höyrystimestä kylmäaine imetään kompressoriin (2), jossa kylmäaineen lämpötila ja paine nousevat. Kompressorin jälkeen kylmäaine johdetaan lauhduttimeen (3), jossa höyry lauhtuu nestemäiseen muotoon samalla luovuttaen lämpöä lämmityskohteeseen. Lauhduttimessa nesteeksi lauhtunut kylmäaine johdetaan takaisin höyrystimeen paisuntaventtiilin (4) kautta. Paisuntaventtiilissä painetta lasketaan tasolle, jossa höyrystyminen alhaisessa lämpötilassa on mahdollista. (12, s. 224.) KUVA 2. Lämpöpumpun toimintaperiaate (13) Lauhduttimen (3) jälkeen kylmäainetta voidaan alijäähdyttää lauhduttimessa tai erillisessä lämmönvaihtimessa, mikä kasvattaa höyrystimen tehoa. Tehon lisäys 16

17 ei kuitenkaan ole yleensä päällimmäisin syy alijäähdytykseen, vaan sillä saavutetaan muun muassa imuhöyryn nestepisaroiden väheneminen, paisuntaventtiilin toiminnan varmistuminen, öljyn kierto parantuminen sekä kylmän imuputken eristämisen tarpeen vähentyminen. (10, s. 81.) Mekaanisen lämpöpumpun Carnot-lämpökerroin Lämpöpumppujen hyötysuhdetta kuvataan lämpökertoimella eli COP-luvulla, joka kuvaa tuotettua lämpöenergiaa suhteessa laitteiston käyttämään sähköenergiaan. Esimerkiksi jos COP-luku on 5, kuluu 5 kwh:n lämmön tuottamiseen 1 kwh sähköä. Loput 4 kwh saadaan lämpöenergiana lämmönlähteestä. Lämpökertoimen suuruuteen vaikuttaa pääasiassa lämmönlähteen ja lämmitettävän kohteen lämpötilaero. Mitä pienempi lämpötilaero näiden välille saadaan, sitä suurempi lämpökertoimen arvo saavutetaan. (11, s. 32.) Carnot-lämpökerroin ei kuitenkaan kerro todellista tilannetta, vaan teoreettisen lämpökertoimen, jossa lämpöpumpun laitteet toimivat 100 %:n hyötysuhteella ja lämpö- tai painehäviöitä ei ole. Todellisuudessa näin ei kuitenkaan ole, vaan laitteistossa syntyy aina häviöitä, jotka huonontavat hyötysuhdetta ja näin ollen myös todellista lämpökerrointa. Carnot-hyötysuhde voidaan laskea kaavalla 1 (14, s. 20). T L T L T H = COP C KAAVA 1 COPc = Carnot-lämpökerroin TL = lämpöpumpun lauhtumislämpötila (K) TH = lämpöpumpun höyrystymislämpötila (K) Todellinen lämpöpumppu Todellisessa lämpöpumpussa syntyy useita häviöitä, jotka poikkeavat ideaalisesta prosessista. Laitteiston hyötysuhteeseen merkittävimmin vaikuttavat häviötekijät ovat seuraavat: 1. Kompressorin puristustyö ei ole isentrooppinen eikä adiabaattinen, minkä vuoksi puristustyö kasvaa ja lämpöä siirtyy ympäristöön. 2. Kompressorin venttiileissä syntyy painehäviöitä. 3. Kylmäaine lämpenee imupuolen kanavissa ja venttiileissä. 4. Puristuksen jälkeen höyry kylmenee venttiileissä ja painekanavissa. 17

18 5. Lauhduttimessa, höyrystimessä ja putkistoissa syntyy painehäviöitä. (10, s. 70.) Todellisen lämpöpumpun COP-luku voidaan laskea kaavalla 2 (15, s. 551). γ = Q out/m W c /m = h 2 h 3 h 2 h 1 KAAVA 2 h1 = kylmäaineen entalpia höyrystimen jälkeen (kj/kg) h2 = kylmäaineen entalpia ennen lauhdutinta (kj/kg) h3 = kylmäaineen entalpia lauhduttimen jälkeen (kj/kg) h4 = kylmäaineen entalpia ennen höyrystintä (kj/kg) Qout = lauhduttimen teho (W) WC = kompressorin teho (W) Lämpöpumppuprosessi voidaan piirtää myös p-h -diagrammiin (kuva 3), josta voidaan kylmäaineen entalpioiden avulla laskea COP-luku eri lämpötiloissa. Jokaisen esimerkkitilanteen laskeminen p-h-diagrammin tai entalpiataulukon avulla olisi kuitenkin todella työlästä ja epätarkkaa. Sen vuoksi laskentaan on käytetty avuksi Coolpack-ohjelmaa, joka on kehitetty Tanskan teknillisessä korkeakoulussa. Ohjelmalla voidaan laskea useita erilaisia lämpöpumppu- ja kylmäkoneprosesseja eri tilanteissa (16). Käytettäväksi prosessiksi valittiin yleisesti käytössä oleva yksinkertainen kiertoprosessi kuivapaisuntahöyrystimellä (One-stage cycle DX-evaporator). Kun ohjelmaan syötetään lämmönlähteen lämpötila, tuotettu lämpötila, häviötekijät sekä käytetty kylmäaine, saadaan tuloksena tilanteessa saavutettava COP-luku. 18

19 KUVA 3. Lämpöpumppuprosessi p-h diagrammissa (16) Lämpöpumppuprosessin laskeminen aloitetaan määrittämällä lämpötilatasot ja arvioimalla syntyvien häviöiden määrää. Lämmönlähteen eli jäähdytysveden, ja tuotetun lämmön välinen ero vaikuttaa kaikista merkittävimmin COP-lukuun, joten mitä pienempi lämpötilaero on, sitä paremmalla hyötysuhteella lämpöpumppu voi toimia. Tuotettu lämpötila arvioidaan sen perusteella, mihin käyttötarkoitukseen sitä tullaan käyttämään. Lämmönlähteen lämpötila sen sijaan vaihtelee ennustettavasti meriveden lämpötilan mukaan. Jäähdytysveden lämpötilan tavalliseksi vaihteluväliksi voidaan laitoksen tietojen ja meriveden lämpötilatietojen perusteella arvioida olevan välillä C. Meriveden lämpötilatutkimusten perusteella voidaan tehdä suuntaa-antava kuvaaja (kuva 4), josta selviää vuodenajan vaikutus jäähdytysveden lämpötilaan. Meriveden lämpötilanmittaukset löytyvät YVA-selostuksesta (1, s. 125). Lämpötila mittaukset eivät ole YVA-selostuksessa jokaista kuukautta kattavia, joten puuttuvat arvot saatiin interpoloimalla olemassa olevia mittaustuloksia. 19

20 Vedenlämpötila C Hyödynnettävän jäähdytysveden arvioitu lämpötilan nousu laitoksessa Kuukausi Menevä Paluu +10C Paluu +12C KUVA 4. Jäähdytysveden arvioitu lämpötilavaihtelu vuodessa (1,s.125) Kuvassa 4 nähdään eriteltynä laitoksen sisään ottaman meriveden lämpötila ja laitoksesta poistuvan lämmenneen veden lämpötila. Voimalaitoksessa lämmenneen jäähdytysveden lämpötila on C:ta korkeampi kuin sisään otettaessa. Kaikissa tämän työn laskentaesimerkeissä on kuitenkin oletettu veden lämpenemiseksi miniarvo +10 C, jotta saatavat tulokset eivät olisi virheellisesti liian optimistisia. Lämpöpumppulaskennassa käytettävät vakiot Lämpöpumpun COP-lukuun vaikuttavien muuttujien arvoja joudutaan arvioimaan, sillä niitä ei ole muutoin saatavilla. Vakioituja arvoja on käytettävä laitteiston häviötekijöinä ja muina ominaisuuksina, jotta tämän työn sisällä olevat laskuesimerkit saadaan vertailukelpoisiksi keskenään. Yksi laitteiston toimintaan vaikuttava tekijä on laitteistossa kiertävä kylmäaine, jonka avulla lämpöä siirretään. Kylmäaineena tämän työn laskentaesimerkeissä käytetään klooritonta HFC 134a:ta, joka tunnetaan myös nimellä R 134a. HCF 134a:ta käytetään yleisesti sen hyvän kylmäkertoimen ja turvallisuutensa vuoksi. Turvalliseksi sen tekee palamattomuus ja hyvin vähäinen myrkyllisyys. (10, s ) 20

21 Lämpöpumppujen COP-lukua laskiessa täytyy ottaa huomioon lämpö- ja painehäviöt, jotka vaikuttavat lämpöpumpun saatavaan hyötysuhteeseen. Merkittävin häviö syntyy kompressorissa, jonka puristustyöhön kuluu suurin osa lämpöpumpun kuluttamasta sähköstä. Kompressorin isentrooppiseksi hyötysuhteeksi arvioidaan 80 %, joka todellisessa tilanteessa vaihtelee painesuhteen ja kierrosnopeuden vaikutuksista. Kompressorin lämpöhäviöiksi arvioidaan 10 %, koska puristusprosessi ei ole todellisuudessa adiabaattinen. Putkistojen painehäviöiden aiheuttamaksi lämpöhäviöksi oletetaan 1 K imu- ja paineputkissa. Lisäksi lauhduttimen jälkeen kylmäainetta alijäähdytetään viidellä kelvin-asteella. Alijäähdytyksestä saatava lämpö voidaan hyödyntää esimerkiksi esilämmitykseen. Höyrystynyt kylmäaine tulistetaan yhdellä kelvin asteella. Näin varmistetaan, ettei kylmäaineeseen jää nestepisaroita, jotka saattavat vaurioittaa kompressoria. Lauhduttimen ja lämmitettävän nesteen lämpötilaeroksi eli asteisuudeksi voidaan olettaa maalämpöpumpuissa käytettävä arvo 10 K (14, s. 21). Höyrystimen ja lämmönlähteen väliseksi lämpötilaeroksi oletetaan 2,5 K. Kyseinen luku on arvioitu, kun tiedetään maalämpöpumppujen asteisuuden arvo, joka on normaalisti noin 5 K. (14, s. 21). Tässä tapauksessa pienempi asteisuus voidaan saavuttaa veden maaperää paremman lämmönjohtavuuden avulla. Yllä mainittuja hyötysuhteita ja asteisuuksien arvoja käytetään kaikissa tässä työssä olevissa lämpöpumppulaskuissa. 3.5 Absorptiolämpöpumput Mekaanisen kompressorilämpöpumpun tapaan absorptiolämpöpumppu sitoo matalalämpötilaista lämpöä höyrystimellä ja luovuttaa sitä korkeammassa ja käyttökelpoisemmassa lämpötilassa lauhduttimella (17, s. 11). Absorptiolämpöpumppu vaatii toimiakseen ulkoisen energialähteen kuten mekaaninenkin lämpöpumppu, mutta käyttöenergia otetaan sähkön sijaan käyttölämmöstä, jota voi olla esimerkiksi kuuma vesi, höyry tai savukaasu. Käyttölämmön lisäksi tarvitaan myös sähköä liuospumpun toimintaan, mutta sen tarvitsema energianmäärä ei ole merkittävä. (17, s. 19.) 21

22 3.5.1 Absorptiolämpöpumpun toiminta Absorptiolaitteiston toiminta perustuu puhtaan kylmäaineen ja absorptioliuoksen höyrypaineiden eroon. Puhdas kylmäaine höyrystyy vakiopaineessa matalammassa lämpötilassa kuin absorptioliuoksessa oleva kylmäaine. Tämän vuoksi höyrystimessä matalalämmön avulla höyrystetty kylmäaine imeytyessään absorptioliuokseen nostaa liuoksen lämpötilan kylmäaineen höyrystymispisteeseen. (17,s.11.) Absorptio tarkoittaa kaasun liukenemista nesteeseen. Kaasun liuetessa nesteeseen vapautuu lauhtumislämpöä ja liukenemislämpöä. (10, s. 89.) Absorptiolaitteiston toimintaa voidaan kuvata virtauskaaviolla. Virtauskaavio kuvaa jatkuvatoimista Carren-prosessia, jossa seosaineina on Ammoniakki NH3 ja vesi (kuva 5). Keittimessä (A) on väkevää ammoniakkivesiliuosta, johon tuodaan lämpöä (Φk). Lämpö höyrystää keittimessä olevan ammoniakin. Mukana höyrystyy myös vettä, joka täytyy poistaa refikaattorissa. Höyrystetty ammoniakki johdetaan lauhduttimeen (B), jossa keittimen paineessa oleva ammoniakkihöyry lauhtuu nestemäiseksi ja luovuttaa ammoniakin höyrystymislämmön (ΦI). Nestemäiseksi muuttunut ammoniakki virtaa paisuntaventtiilin läpi. Paine lasketaan höyrystimen (C) paineeseen, jolloin ammoniakki höyrystyy sitoen höyrystymislämmön (Φh) itseensä lämmönlähteenä toimivasta ympäristöstä. Tässä tapauksessa ympäristönä voisi olla voimalaitoksen jäähdytysvesi. Höyrystynyt ammoniakki johdetaan imeyttimeen (D), johon syötetään keittimestä laimeaa nestemäistä vesiammoniakkiseosta. Ammoniakki liukenee eli absorboituu väkeväksi liuokseksi samalla luovuttaen liukenemislämmön (Φa,), joka johdetaan käyttökohteeseen. Väkevä liuos pumpataan takaisin kiertoon ja keittimeen ja prosessi alkaa alusta. (10, s. 92.) 22

23 KUVA 5. Ammoniakki/vesi-absorptiokoneiston virtauspiirros (10, s. 93) Jäähdytysveden hyödyntäminen absorptiopumpulla Kompressorilämpöpumppuihin verrattuna absorptiolämpöpumpun etuihin luetaan liikkuvien osien puuttuminen, lukuun ottamatta liuospumppua. Tästä syystä absorptiolämpöpumpun huolto- ja kunnossapitotarve on vähäinen. Hyvänä puolena voidaan pitää myös absorptiolämpöpumpun vähäistä melutasoa verrattuna kompressorilämpöpumppuihin. (17, s. 30.) Absorptioprosessissa lämmönlähteen lämpötila vaikuttaa COP-lukuun vähemmän kuin kompressoriprosessissa. Tästä syystä se soveltuu paremmin matalalämpöisen lämmönlähteen hyödyntämiseen. Huonona puolena on toisaalta se, että korkeita lämpötiloja tuottaessa COP-luku laskee suhteessa enemmän, minkä takia se sopiikin paremmin matalalämmön tuottamiseen. (17, s. 33.) Jäähdytysveden ollessa kuitenkin kohtuullisen lämmintä on järkevämpää käyttää kompressorilämpöpumppua, jolla voidaan saavuttaa parempi lämpösuhde korkeita lämpötiloja tuottaessa. Absorptiolämpöpumpun hankintahinta on myös korkeampi kuin vastaavan tehoisen kompressorilämpöpumpun (17, s. 30), joka 23

24 myös vaikuttaa lämpöpumpun valintaan. Mainittujen ominaisuuksien takia tässä työssä on päädytty suunnittelemaan lämpöpumppausta absorptiolämpöpumppujen sijaan kompressorilämpöpumpulla, koska se soveltuu ominaisuuksiensa puolesta paremmin jäähdytysveden lämpöenergian hyödyntämiseen. 24

25 4 LÄMMÖN KÄYTTÖKOHTEIDEN KARTOITUS Ideoita mahdollisiksi käyttökohteiksi laitosalueella Lämmön käyttäminen mahdollisimman lähellä lämmönlähdettä on todettu parhaimmaksi ratkaisuksi, sillä lämmönsiirtämisessä syntyy aina häviöitä ja pumppaamisesta kustannuksia. Myös rakennuskustannukset kasvavat sen mukaan mitä kauemmaksi lämpöä halutaan siirtää. Seuraavat mahdolliset käyttökohteet sijoittuvat laitoksen välittömään yhteyteen: laitoksen kiinteistöjen lämmitys pihojen sulanapito talvella jäähdytysveden ottokanavan sulatus OTEC. Ideoita lämmön käyttökohteiksi laitosalueen ulkopuolella Ydinvoimalaitoksen ympärillä on turva-alue, joka ulottuu viiden kilometrin säteelle. Tämän turva-alueen sisäpuolelle ei saa rakentaa pysyviä asumuksia tai paikkoja, joissa oleskelee jatkuvasti ihmisiä. (1, s. 91). Sen vuoksi mietitään seuraavia käyttökohteita, joissa lämpöä voitaisiin hyödyntää laitosalueen ulkopuolella: asuntojen tai julkisten rakennusten lämmitys kasvihuoneen lämmitys biopolttoaineen kuivaimen lämmitys biokaasuprosessin lämmitys urheilupuiston lämmitys. 4.1 Laitoksen kiinteistöjen lämmitys Hanhikiven ydinvoimalan alueella tulee sijoittumaan paljon erilaisia toimintaa tukevia rakennuksia, jotka tarvitsevat lämmitystä. Osa laitoksen rakennusten lämmitystarpeesta voidaan tuottaa turbiinilta otettavalla höyryllä. (1, s. 57). Laitoksen pysyvien rakennusten kerrospinta-ala tulee koostumaan voimalaitoksesta m 2, apu- ja tukirakennuksista m 2 sekä majoituskylästä

26 m 2 (kuva 6) (18). Jos oletetaan, että voimalaitosrakennuksen lämmitys tapahtuu omatuotannolla, lämmitettävää kerrospinta-alaa on m 2. Käyttöveden kulutukseksi laitoksen käytön aikana arvioidaan noin 150 m 3 vuorokaudessa (1, s. 57). KUVA 6. Laitosalueen layout-suunnitelma (19) Mahdollinen lämmitysjärjestelmä toteutettaisiin suoraan lämpöpumpulla ja lämmönjakokeskuksena toimisi lämpöpumppu itsessään. Lämmitysjärjestelmän lämmönsiirtoneste lämmitetään siis suoraan lämpöpumpussa ilman erillistä lämmönvaihdinta. Lämpöpumpun lauhdutuslämpötila suunnitellaan rakennukseen tulevan lämmitysjärjestelmän vaatimien lämpötilojen mukaisesti. Järjestelmää suunniteltaessa on huomioitava, että lauhdutuslämpötila on suunniteltava korkeammaksi kuin sillä tuotetun lämmitysveden lämpötila, koska sitä enemmän lämmön siirtyminen hidastuu mitä pienemmäksi lämpötilojen välinen ero muodostuu. Uudisrakennuksien radiaattoriverkoston mitoituslämpötilat ovat tavallisesti menovedelle +45 C ja paluuvedelle +30 C (14, s. 44). Poikkeustapauksissa, jos esimerkiksi pattereiden kokoa joudutaan rajoittamaan, voidaan menolämpötiloja käyttää välillä C (20, s. 80). 26

27 Radiaattorilämmityksen lisäksi vaihtoehtona on toteuttaa lämmitys lattialämmityksenä, jossa menoveden maksimaalinen lämpötila on 40 C ja paluuveden 30 C (14, s. 36) Tavallisesti käytetään yhdistettyä lämmitysjärjestelmää, jossa osa tiloista on toteutettu lattialämmityksellä ja osa radiaattoreilla. On kuitenkin huomioitava, että lattialämmityksen rakennuskustannukset ovat huomattavasti suuremmat kuin radiaattorilämmityksessä. Sen vuoksi tässä työssä keskitytään pelkästään radiaattorilämmitteiseen vaihtoehtoon. Käyttöveden lämmityksen mitoituslämpötilana käytetään +60 C:ta (14, s. 11). Käyttöveden korkeamman lämpötilan tuottaminen lämpöpumpulla ei välttämättä ole kannattavaa, sillä se huonontaa lämpöpumpun COP-lukua. Vaihtoehtoisesti käyttöveden lämmönkorotus voidaan toteuttaa esimerkiksi lämminvesivaraajassa suoralla sähkölämmityksellä. Lämmitysjärjestelmän menoveden lämpötilaa säädetään ulkolämpötilan mukaan (kuva 7). Lämmitysjärjestelmän menoveden lämpötila on siis suoraan riippuvainen ulkolämpötilasta. Näin ollen tuotettavan lämmitysveden lämpötilaa voidaan arvioida ulkolämpötilojen mukaisesti. KUVA 7. Menoveden lämpötilan riippuvuus ulkolämpötilasta 45/30 lämmitysjärjestelmässä (14, s. 44) 27

28 Lämpötila C Kun kuukausittaiset lämpötilat tiedetään mitoitusvuoden 2012 perusteella (21, s. 31), voidaan siitä luoda kuvaaja. Kuvaajasta saadaan käsitys voimalaitoksenjäähdytysveden ja lämmitysjärjestelmän menoveden lämpötilaerosta (kuva 8), minkä perusteella voidaan arvioida saatavaa COP-lukua Lämmityjärjestelmän menoveden ja voimalaitoksen jäähdytysveden lt eri vuodenaikoina Kuukausi Lämmitysveden meno lt ulkolämpötilan suhteessa Kuukauden keskilämpötila Jäähdytysveden lämpötila KUVA 8. Lämmitysjärjestelmän, jäähdytysveden ja kuukauden keskilämpötilat (1, s. 125)(21, s. 31) Lämmityskauden rajalämpötila on ulkolämpötila, jonka alle laskiessa rakennuksia aletaan lämmittää. Suomessa tämä rajalämpötila on yleensä C (14, s. 17). Lämpöpumpun tehonmitoituspisteenä käytetään ulkolämpötilaa, jossa lämmitystarve voidaan tuottaa kokonaan lämpöpumpulla. Tässä tapauksessa tehonmitoituspisteenä pidetään 32 C:n ulkolämpötilaa, joka on säävyöhykealueen 3 ulkolämpötilan mitoituslämpötila (21, s. 29). Kun tiedetään, että ulkolämpötila laskee 32 C:seen tyypillisesti vain joulu-, tammi- tai helmikuussa, voidaan kuvan 8 perusteella arvioida, että hyödynnettävän jäähdytysveden lämpötila vaihtelee tänä aikana +10 C +12 C:n välillä. Seuraavassa esimerkissä käytetään jäähdytysveden lämpötilana +10 C:ta. Mikäli lämmitettävä kohde käyttää kuvan 8 mukaista säätökäyrää radiaattori lämmityksessä, menoveden lämpötilaksi saadaan tällöin +45 C. 28

29 Lämpöpumpun COP-luvun laskeminen toteutetaan Coolpack-ohjelmalla laskemalla ja siinä käytettävät vakiot ovat seuraavat: lauhduttimen asteisuus 10 k höyrystimen asteisuus 2,5 k lauhteen alijäähdytys 5 k tulistus 1 k painehäviöt imu- ja paineputkissa lämpöhäviöksi muunnettuina 1k per puoli. Kuvassa 9 on piirrettynä lämpöpumppuprosessi mitoitus- ja rajalämpötiloissa, josta saadaan laskettua lauhduttimen lämpöteho Qout ja kompressorin teho WC. Prosessi A Prosessi B KUVA 9. Lämpöpumppuprosessi p-h-diagrammissa mitoitus- ja rajalämpötilassa Kaavalla 2 saadaan Coolpack-ohjelman avulla esimerkiksi 1 MW:n laitteessa COP = Q out W c = 1MW 0,2289MW = 4,4. COP-luvuksi saadaan 4,4, jolloin jokaista lämpöpumpun kuluttamaa megawattia kohden sähköä saadaan 4,4 megawattia lämpöä. Tehomitoituspisteen lämpöpumppuprosessi A on kuvattuna p-h-diagrammissa (kuva 9). 29

30 Lasketaan toinen esimerkki tilanne kun ulkolämpötila on lämmitysjärjestelmän rajalämpötilassa +15 C, lämmitysjärjestelmän menoveden lämpötila on silloin kuvan 7 perusteella noin 22,5 C. Lämpöpumpun hyödyntämäksi jäähdytysveden lämpötilaksi otetaan +15 C, joka vastaa kuvan 4 perusteella toukokuun olosuhteita. Kaavalla 2 ja Coolpack ohjelmalla lasketaan saavutettava COPluku COP = Q out W c = 1MW 0,09919MW = 10,1. Näin ollen COP-luvuksi saadaan siis noin 10, jota voidaan pitää todella hyvänä COP-lukuna. Kesällä COP-luku voi nousta entisestään, kun jäähdytysveden lämpötila nousee meriveden mukaan. Rajalämpötilan lämpöpumppuprosessi B on kuvattuna p-h-diagrammissa (kuva 9). Esimerkkitilanteissa saatujen tietojen perusteella voidaan arvioida rakennusten lämmitykseen käytettävän lämpöpumppauksen olevan mahdollinen vaihtoehto jäähdytysveden hyödyntämiseen, minkä takia sitä kannattaa tutkia lisää Lämpöpumppauspotentiaali Pyhäjoki sijaitsee Suomen neljään osaan jaetulla säävyöhykekartalla alueella 3, käytettäessä nykyistä ilmastoa kuvaavan testivuoden 2012 kuukausittaisia keskilämpötiloja (taulukko 1). Kuukausien keskilämpötilojen perusteella voidaan arvioida lämmitysjärjestelmän menoveden keskimääräiset lämpötilat kuvan 7 perusteella, jotta voidaan arvioida eri kuukausina saavutettavaa lämpöpumpun hyötysuhdetta. 30

31 TAULUKKO 1. Kuukausittaiset keskilämpötilat (21, s. 31) Keskilämpötila Kuukausi C Tammi -8 Helmi -7,1 Maalis -3,53 Huhti 2,42 Touko 8,84 Kesä 13,39 Heinä 15,76 Elo 13,76 Syys 9,18 Loka 4,07 Marras -1,76 Joulu -5,92 keskiarvo 3,43 Kuukauden keskilämpötilan perusteella ei saada kuitenkaan selville todellista lämmön tarvetta, sillä esimerkiksi kesäaikaan heinäkuussa lämpötila laskee vain hetkittäin lämmitysraja lämpötilan +15 C:n alapuolelle. Kun taas esimerkiksi talviaikaan tammikuussa ulkolämpötilalämpötila pysyy hyvin suurella todennäköisyydellä jatkuvasti alle +15 C:ssa, jolloin rakennusta täytyy lämmittää koko ajan. Siksi apuna käytetään lämmitystarvetta paremmin kuvaavaa lämmitystarvelukua, joka kertoo astetunteina vuosittaisen lämmitysenergiatarpeen jakaantumisen kuukausien välillä. Pyhäjoelle lämmitystarveluvut voidaan laskea korjauskertoimen avulla Oulun vertailuarvosta (taulukko 2). TAULUKKO 2. Lämmitystarveluku Oulussa ja Pyhäjoella (22) Lämmitystarveluvut (S17) kuukausittain Oulusta korjauskertoimella laskettuna Pyhäjoella ja prosentuaalinen lämpöenergiantarve eri kuukausien osalta tammi helmi maalis huhti touko kesä heinä elo syys loka marras joulu Vuosi Oulu Pyhäjoki % 16,3 14,7 13,4 9,2 4,9 0,9 0,2 1,1 4,4 8,4 11,7 14,8 100 Lämpöpumpun COP-luvun kuukausikohtainen keskiarvo voidaan laskea Coolpack-ohjelmalla. Laskeminen voidaan suorittaa, kun tiedetään hyödynnettävän lämmönlähteen, eli tässä tapauksessa voimalaitoksen jäähdytysveden, lämpötila sekä tuotettavan lämmitysveden lämpötila, joka määritetään kuvan 7 perusteella (taulukko 3). 31

32 TAULUKKO 3. Kuukausittaisen ulkolämpötilan vaikutus lämpöpumpun lämpösuhteeseen. Kuukausi Ulkoilman keskilämpötila Menoveden lämpötila C Jäähdytysveden lämpötila C COP tammi -8 35,48 9,8 5,46 helmi -7,1 34,98 9,8 5,53 maalis -3,53 32,98 10,0 5,87 huhti 2,42 29,64 10,5 6,56 touko 8,84 26,05 15,0 8,70 kesä 13,39 23,5 20,0 12,38 heinä 15,76 22,17 24,0 17,44 elo 13,76 23,29 28,0 22,35 syys 9,18 25,86 23,0 12,90 loka 4,07 28,72 19,0 9,25 marras -1,76 31,99 15,0 7,06 joulu -5,92 34,32 12,5 6,08 Arvioitaessa lämpöpumppauksen potentiaalia voidaan muodostaa kuvaaja, josta selviää eri kuukausien lämmöntarve sekä lämpöpumpun COP-luku vastaavana aikana (kuva 10). Lämmityskaudella marraskuusta maaliskuuhun on lämmitystarve suurimmillaan. Samaan aikaan on lämpöpumppauksen hyötysuhde matalimmillaan. Syksyllä, kun meriveden lämpötila on vielä kesän jälkeen korkea, lämpöpumppaus on kulutukseen suhteutettuna kaikkein hyödyllisintä. Kesällä sen sijaan lämmittäminen lämpöpumpulla on lämpösuhteen kannalta todella edullista, mutta lämmöntarpeen vähäisyyden takia sillä ei saavuteta yhtä suurta energian säästöä. 32

33 Laskennalliset COP-luvut lämmityjärjestelmän menoveden ja voimalaitoksen jäähdytysveden suhteen Lämmöntarve koko vuoden lämmitystarpeesta % COP Lämmitysveden meno lt ulkolämpötilan suhteessa Kuukauden keskilämpötila Jäähdytysveden lämpötila KUVA 10. Lämmitystarve ja lämpöpumpun COP-luku eri kuukausina. Kuvaajan COP-luvut ovat suoraan verrannollisia lämmitysveden oletettuun lämmitysjärjestelmän menolämpötilaan, joka vaihtelee +20 C +45 C: n välillä. Useimmat markkinoilla olevat lämpöpumput toimivat noin 25 C:n vaihteluvälillä tuotetun lämpötilan osalta. Tämä rajoittaa osittain lämpöpumppausta käyttöveden ja lämmityksen toteutukseen samalla laitteistolla, sillä laitteiston kannalta voi olla ongelmallista tuottaa +20 C +60 C:n lämpötiloja. Käyttöveden lämmitykseen tarvittaisiin mahdollisesti erillinen tulistin, jolla käyttöveden korkeampi lämpötila voitaisiin tuottaa. Käyttöveden lämmitykseen kesä on edullisinta aikaa, jolloin lämpötilaero lämmönlähteen ja tuotetun lämmön välillä on pienimmillään. Talvella lämpötilaero käyttöveden ja lämmönlähteen välillä on sen sijaan korkeampi, mikä huonontaa lämpösuhdetta. Uusien rakennusten käyttöveden lämpötila tulisi olla vähintään +55 C ja enintään +65 C (23). Käyttöveden lämpötilaksi tässä tapauksessa oletetaan +60 C, jolla minimoidaan legionellabakteerin lisääntymismahdollisuus. Korkeammalla käyttöveden lämpötilalla varmistetaan myös yli +55 C:n 33

34 pysyvyys suuren rakennuksen pitkistä siirtomatkoista huolimatta. (23.) Jäähdytysveden kuukausittaisten lämpötilojen perusteella on Coolpack-ohjelman avulla laskettu lämpöpupun COP-luku käyttöveden lämmitykselle (Taulukko 4). TAULUKKO 4. Lämpöpumpun COP-luku kuukausittaisten jäähdytysveden lämpötilojen perusteella tuotettaessa +60-celsiusasteista käyttövettä Kuukausi Jäähdytysveden lämpötila kuukausittain C COP Tammi 9,8 3,2 Helmi 9,8 3,2 Maalis 10,0 3,2 Huhti 10,5 3,2 Touko 15,0 3,5 Kesä 20,0 3,9 Heinä 24,0 4,3 Elo 28,0 4,7 Syys 23,0 4,2 Loka 19,0 3,8 Marras 15,0 3,5 Joulu 12,5 3, Lämmitysenergiantarve laitoksen kiinteistöissä Suunnitellessa rakennusten lämmitystä lämpöpumppauksella täytyy arvioida lämmitysenergian tarvetta. Olemassa olevien rakennusten ominaislämpötehon 34

35 ja lämpöindeksin avulla voidaan arvioida mitä suuruusluokkaa tulevien rakennusten lämpöenergian tarve on (taulukko 5). TAULUKKO 5. Olemassa olevien rakennusten ominaislämpöteho ja lämpöindeksi Oulussa (20, s. 20) On kuitenkin huomioitava, että taulukossa 5 uudet tarkoittavat lukujen rakennuksia, joiden energiatehokkuuteen verrattuna uudet rakennukset tulevat olemaan huomattavasti parempia. EU:n yhteinen tavoite on parantaa energiatehokkuutta 20 prosentilla vuoteen 2020 mennessä, joten energiankulutusta arvioidaan vähentämällä 20 % taulukon arvoista (24). Taulukon 5 perusteella voidaan arvioida lämmitysenergian kulutusta kun tiedetään rakennuksen käyttötarkoitus. Rakennusten lämmitetty tilavuus on laskettu huonekorkeudella 2,5 m. Arvioitu kulutus on laskettu eri käyttötarkoituksiin tulevista rakennuksista, luokitellen ne kolmeen eri luokkaan lämmitysenergian kulutuksen perusteella. (taulukko 6) TAULUKKO 6. Lämmitysenergian arvioitu vuotuinen kulutus eri rakennustyypeissä Luokka Koulutuskeskus, porttirakennus, vierailukeskus, hallintorakennus Varastot, huoltorakennus, laitostoimisto, paloasema Majoituskylä yht. Rakennuksen käyttötarkoitus Rakennusten tilavuus m³ Arvioitu lämmitysenergian kulutus kwh/m³/a 30,4 27,2 40 lämmitysenergian kulutus vuodessa kwh/a

36 Yhteenlasketuksi vuotuiseksi lämpöenergian tarpeeksi saadaan siis noin MWh vuodessa, mikäli uusista rakennuksista tulisi energiatehokkuudeltaan vanhempien rakennusten kaltaisia. Matala- ja passiivirakennukset Toinen tapa määrittää on käyttää matala- ja passiivirakennuksien energiankulutusta. Matala- ja passiivirakennukset ovat nykyaikaisten rakennusmääräysten mukaisia rakennuksia energiatehokkaampia, joissa energiankulutuksen minimointi on tärkeä osa suunnittelua. Uusien ohjeiden mukaisesti matalaenergiatalossa saisivat laskennallisten lämpöhäviöt olla maksissaan 85 % vertailulämpöhäviöistä. Passiivienergiarakennuksessa ei määritelmän mukaan tarvita lainkaan lämmitysenergiaa, mutta käytännössä Suomen ilmastossa ei päästä nollakulutukseen kustannustehokkaasti. (25.) Lämmitysenergian tarve matala- ja passiivirakennuksissa on arvioitu taulukon 7 perusteella (taulukko 7). TAULUKKO 7. Matala- ja passiivirakennuksen lämmitysenergian tarve (26, s. 11) Käytetään suunnitteluarvoina sarakkeen 4 arvoja, joka on rakennuksen lämmitysjärjestelmän ominaiskulutuksen suurpiirteinen vaihteluväli. Energiakulutuk- 36

37 sen voidaan olettaa olevan uusissa rakennuksissa vähintään matalaenergiatalon tasoa eli noin 60 kwh/m 2.. Mikäli rakennukset kuitenkin tehdään passiivirakennuksen vaatimukset täyttäen, tulee kulutus olemaan noin 45 kwh/m 2. Lämmitysenergian kulutus vuodessa saadaan kertomalla yhden neliömetrin kulutus rakennusten pinta-alalla m 2. Kulutukseksi saadaan tällöin matalaenergia rakennuksissa MWh ja passiivirakentamisella noin MWh. Eri tavoin laskettujen lämmitysenergian kulutuksen arviot eroavat huomattavasti toisistaan eikä näin ollen ei voida sanoa mikä on lähimpänä todellista tilannetta. koska ei ole tiedossa tulevien rakennusten energiatehokkuus tietoja. Tästä syystä lasketaan lämpöpumppauksen kannattavuus kaikkien kolmen energiakulutus arvion mukaan Lämmitystehontarve Rakennuksen tehonmitoituspiste on ulkolämpötila, johon saakka lämmitysjärjestelmä kykenee tuottamaan tarvitun lämmitystehon (14, s.18). Tehonmitoituspisteenä käytetään säävyöhykealueella 3 mitoittavana ulkolämpötilana 32 C (21, s. 29). Laitosalueen rakennuksien mitoitustehon laskennassa käytetään kaavaa 3 (27, s. 92). P kok = P n A kok KAAVA 3 Pkok = tarvittava lämmitysteho (W) Akok = lämmitettävä pinta-ala (m 2 ) Pn = tarvittava lämmitysteho neliömetriä kohden Olemassa olevien rakennuksiin verrattavien rakennusten tehontarvetta voidaan arvioida taulukon 5 perusteella. Kaavalla 3 laskettuna saadaan mitoittavan lämmitystehon tarpeeksi noin kw (taulukko 8). 37

38 TAULUKKO 8. Lämmitystehon tarve olemassa olevien rakennusten kaltaisissa kiinteistöissä Luokka Rakennuksen käyttötarkoitus Koulutuskeskus, porttirakennus, vierailukeskus, hallintorakennus Varastot, huoltorakennus, laitostoimisto, paloasema Majoituskylä yht. Rakennusten tilavuus m³ Lämmitysteho W/m³ 17,6 13,6 13,6 Vaadittu Lämmitysteho kw Matala- ja passiivirakennuksen lämmitystehontarve Toinen vaihtoehto on käyttää matala- ja passiivienergiarakennusten lämmitystehontarvetta kerrostalojen osalta (taulukko 9). TAULUKKO 9. Matala- ja passiivirakennusten tehon tarve (26, s. 12) Matalaenergia rakennuksessa lämmitystehon huippukäyttö tilanteen ohjearvona voidaan pitää 30 W/m 2, tavallisessa talviajan käytössä tarve on noin W/m 2. Tässä tapauksessa käytetään kokonaistehon laskennassa huippuarvoa 30 W/m 2, koska tuleville rakennuksille ei ole määritetty tarkempia arvoja. Passiivirakennuksissa huipputehona pidetään 20 W/m 2 ja normaalin talviajan tehona W/m 2. Myös passiivirakennuksen tapauksessa käytetään mitoitukseen huipputehon tarvetta 20 W/m 2. (26, s.12.) Laskemalla kaavalla 3 matalaenergiarakennuksen tehontarpeella 30 W/m 2 ja lämmitettävien rakennusten pinta-alalla m 2, saadaan lämmitystehontarpeeksi kw. Käytettäessä passiivirakennuksen tehontarvetta 20 W/m 2 saadaan lämpötehontarpeeksi kw. Lasketut arvot kuvaavat vain huipputehon tarvetta, mutta normaalitilanteissa tehontarve on huomattavasti pienempi. Huipputehontarve on kuitenkin otettava 38

39 huomioon kun suunnitellaan lämmitysjärjestelmää, sillä järjestelmän on kyettävä tuottamaan tarvittu lämmitysteho kaikissa tilanteissa. Lämmitystehon tarpeen arviointi antaa lämpöenergian tarpeen ohella eri suurusluokan tehontarpeita, joten lämpöpumpuntehon määrityksessä käytetään kaikkia saatuja arvoja (taulukko 10). TAULUKKO 10. Eri energiatehokkaiden rakennusten lämmitysjärjestelmän mitoitustehot sekä lämpöenergian kulutus Mitoitusteho kw Vuotuinen lämpöenergian kulutus MWh Olemassa olevat Matalaenergia Passiivi Käyttöveden lämmitys Käyttöveden lämmityksen kuluttama energian määrä ei juurikaan riipu ulkolämpötilasta, joten se erotetaan muusta lämmitysenergiankulutuksesta. Käyttöveden energiankulutus saadaan normaalisti käyttöveden energiamittauksesta. Tilanteessa, jossa tiedetään vain käytetyn talousveden määrä, voidaan lämmitetyn veden osuuden olettaa olevan asuinrakennuksissa noin 40 % ja muissa rakennuksissa noin 30 % kokonaismäärästä. (23.) Käytettävän talousveden kulutukseksi laitosalueella on arvioitu 150 m 3 vuorokaudessa, laitoksen käydessä normaalisti (1, s. 67). Mikäli lämmitetyn veden osuudeksi kokonaisuudesta arvioidaan vajaa kolmannes, on kulutus tällöin noin 45 m 3 vuorokaudessa, mikä vastaa noin m 3 :a vuodessa. Arvioidaan määrän todenmukaisuutta jakamalla kulutus rakennetulla pinta-alalla: 16425m 3 /a m = 81,5dm3 /m 2 /a. Kulutukseksi saadaan siis 81,5 dm 3 /m 2 /a, jota voidaan verrata taulukoituihin arvioihin eri rakennustyypeissä (taulukko 11). 39

40 TAULUKKO 11. Lämpimän käyttöveden kulutuksen oletusarvoja (23) Kun tiedetään arvio lämmitetyn käyttöveden kulutuksesta, lasketaan siihen kuluva lämmitysenergia kaavalla 4 (23). Laskentaan tarvitaan lämmitettävän kylmänveden lämpötila (t1) ja lämmitetyn veden lämpötila (t2), jotka tässä tapauksessa ovat kylmälle +5 C ja lämmitetylle +60 C. Q = ρ cp V (t 2 t 1 ) 3600 Q = lämmitysenergia (kwh) ρ = veden tiheys (kg/m 3 ) Cp = veden ominaislämpökapasiteetti (kj/kg K) V = veden tilavuus (m 3 ) t2 = lämmitetyn veden loppulämpötila ( C) t1 = lämmitettävän veden alkulämpötila ( C) KAAVA 4 Sijoittamalla kaavaan vuosittainen vedenkulutus neliömetriä kohden saadaan: 1000kg m 3 4,2kJ kg K 0,0815m3 (60 5 ) 3600 = 5,23Kwh/m 2 /a. Kertomalla rakennusten pinta-alalla, saadaan käyttöveden lämmitysenergian kulutus eri rakennuksille (taulukko 12). 40

41 TAULUKKO 12. Käyttöveden lämmitysenergian kulutus vuodessa Rakennus Pinta-ala m2 LKV-energiantarve kwh/a Apu- ja tukirakennukset Majoituskylä yht Käyttöveden lämmitystehontarve voidaan laskea kaavalla 5 (28, s ). Laskettaessa on kuitenkin tehtävä oletus, että lämmin vesi tuotetaan varaajaan, koska lämmitystehontarve vaihtelee huomattavasti hetkittäisen kulutuksen mukaan. Mitoitusvirtaamana pidetään 85 dm 3 / m 2 /a, jotta varmistutaan lämmitystehon riittävyydestä. Kiertohäviöt, eli lämpöhäviöt veden kiertäessä putkistoissa määritellään rakennuksen lattiapinta-alan mukaan, ollen tavallisesti noin 0,002 kw/m 2 (28, s. 64). lkv = ρ c pv q v lkv (t 2 t 1 ) + lkv,kiertohäviö KAAVA 5 Φlkv = lämmitystehontarve (W) ρ = veden tiheys (kg/m 3 ) Cp = veden ominaislämpökapasiteetti (kj/kg K) qv = lämmitetyn veden mitoitusvirtaama (m 3 /s) t2 = lämmitetyn veden loppulämpötila ( C) t1 = lämmitettävän veden alkulämpötila ( C) Φlkv, kiertohäviö = Putkistosta johtuva kiertohäviö kw/m kg m 3 4,2kj kg k 61500m2 0,085m3 (60 5 ) + 0,002kW s 61500m 2 = 161kW Lämpimän käyttöveden lämmitystehontarpeeksi saadaan näin ollen 161 kw Lämpöpumppauksen kannattavuuden arviointi Ydinvoimalan itse tuottaessa valtavat määrät sähköä on sitä saatavilla omakustanne hintaan myös lämmitykseen, joka tarkoittaa markkinahintoja matalampaa 41

42 hintaa. Toisaalta omakäyttöön menevä sähkö on pois myydystä sähköenergiasta ja näin ollen kustannuksia syntyy väistämättä. Sähkön hinnan voi arvioida olevan noin 50 /MWh Fennovoiman omalle käytölle (29). Yksi mahdollinen vaihtoehto lämmityksen toteutukseen on myös lämmön ottaminen höyrynä suoraan turbiinin väliottona. Se vaatisi kuitenkin muutoksia prosessiin ja vähentäisi turbiinilta saatavaa tehoa, joten tätä vaihtoehtoa ei käsitellä tässä työssä. Lasketaan suoralla sähkölämmityksellä toteutetun lämmityksen kustannukset Apu- ja tukirakennuksissa sekä majoituskylässä, jonka lämmitystarpeet on arvioitu luvussa (taulukko 10). Lämpimän käyttöveden energiankulutus luvussa (taulukko 12). Suoralla sähkölämmityksellä toteutetun lämmitysjärjestelmän hyötysuhteen voidaan olettaa tässä tilanteessa olevan 100 %, jonka takia lämmitysenergian kulutus vastaa lämmitykseen käytettävän sähköenergian tarvetta (taulukko 13). TAULUKKO 13. Lämpöenergian tarve ja hinta suoralla sähköllä lämmittäessä Rakennuksen energiatehokkuus Vuotuinen lämpöenergian kulutus MWh Sähköenergian hinta Olemassa olevat Matalaenergia Passiivi LKV Lämmitystarvelukujen perusteella on laskettu jokaisen kuukauden prosentuaalinen osuus lämmitystarpeesta eri energiatehokkuuden mukaisilla arvoilla lasketuissa rakennuksissa (taulukko 14). 42

43 TAULUKKO 14. Lämmitystarve kuukausittain Lämmitysenergian kulutus MWh Kuukausi lämmitystarve % Olemassa olevat Matalaenergia Passiivi tammi 16, helmi 14, maalis 13, huhti 9, touko 4, kesä 0, heinä 0, elo 1, syys 4, loka 8, marras 11, joulu 14, Yhteensä Kun tiedetään lämmitysenergiantarpeet kuukausittain, voidaan laskea arvio lämpöpumpulla toteutetusta lämmityksestä, jossa on hyödynnetty keskimääräisiä kuukausittaisia COP-lukuja. Laskettujen COP-lukujen avulla saadaan laskettua lämpöpumpun sähkönenergiankulutus tuotettua lämpöenergiaa kohden. Lisäksi tiedettäessä sähköenergian hinta, suoralla sähkölämmityksellä ja lämpöpumppauksella tuotetun lämmön välinen hintaero voidaan laskea (taulukko 15). 43

44 TAULUKKO 15. Lämpöpumpun kuluttama sähköenergia kuukausittaisen COPluvun mukaan COP kuukauden keskimääräisen menoveden lämpötilan mukaan Lämpöpumpun kuluttama sähköenergia MWh Säästetty sähköener gia % Kuukausi olemassa olevat matalaenergia passiivi tammi 5, helmi 5, maalis 5, huhti 6, touko 8, kesä 12, heinä 17,4 1 0,4 0,3 94 elo 22, syys 12, loka 9, marras 7, joulu 6, Yhteensä Vertailemalla suoralla sähkölämmityksellä ja lämpöpumpulla toteutettua lämmitystä, voidaan huomata lämpöpumppauksella olevan mahdollista säästä jopa 85 % sähköenergian vuosittaisesta kulutuksesta. Verrattuna tilanteeseen, jossa kaikki lämpö tuotetaan suoralla sähkölämmityksellä. Taulukon perusteella prosentuaalisesti suurin säästö saadaan kesällä, mutta sähköenergian säästö on suurinta tammikuussa kulutuksen ollessa suurimmillaan. Lämpimänkäyttöveden lämmitysenergian tarve Lämpimän käyttöveden lämmitysenergian kulutuksen osalta voidaan tehdä samanlainen laskenta, kun tiedettään käyttövettä tuottaessa toteutuva lämpöpumpun COP-luku (taulukko 4). Laskettaessa tehtiin oletus, että jokaisen kuukauden osalta lämpimän käyttöveden energiankulutus pysyy samana sillä ulkolämpötila ei vaikuta siihen merkittävästi (23). Ainoa muuttuja on siis COP-luku, joka on kesäaikaan korkeimmillaan, ja näin ollen säästyvän säästetyn sähköenergian määrä on myös suurin (taulukko 16). 44

45 TAULUKKO 16. Lämpimän käyttöveden energiankulutus COP Jäähdytysveden lt vaihtelun mukaan Lämpöpumpun sähköenergian kulutus MWh Säästetty sähköener gia % Lämmitysenergia Kuukausi MWh tammi 26,8 3,2 8 68,7 helmi 26,8 3,2 8 68,7 maalis 26,8 3,2 8 68,8 huhti 26,8 3,2 8 69,1 touko 26,8 3,5 8 71,6 kesä 26,8 3,9 7 74,6 heinä 26,8 4,3 6 76,5 elo 26,8 4,7 6 78,6 syys 26,8 4,2 6 76,0 loka 26,8 3,8 7 73,8 marras 26,8 3,5 8 71,6 joulu 26,8 3,4 8 70,3 Yhteensä ,4 Lämpöpumpun vuotuisen sähköenergian kulutuksen perusteella on laskettu siitä syntyvät kustannukset sekä saavutettu säästö verrattuna sähkölämmitykseen ja koostettu ne yhteen (taulukko 17). TAULUKKO 17. Lämpöpumpun sähkönkulutus ja kustannukset Lämpöpumpun kuluttama sähköenergia MWh/a Kulutetun sähkön hinta/ Säästö suoraan sähkölämmit ykseen verrattuna/ Rakennuksen energiatehokkuus Olemassa olevat Matalaenergia Passiivi LKV Vertailemalla sähköenergiasta syntyviä kuluja, voidaan jäähdytysveden lämpöenergiaa hyödyntävällä lämpöpumppauksella olevan todella suuri potentiaali, kun vuotuisissa lämmityskustannuksissa pyritään säästämään. Suuren vuotuisen kustannussäästön ansiosta lämpöpumpun takaisinmaksuaika voidaan saada lyhyeksi, mikä on yksi investoinnin tärkeimmistä kriteereistä. Lämpimän käyttöveden osalta kannattavuutta tulee kuitenkin pohtia, sillä saavutettu hyöty ei ole yhtä merkittävä kuin lämmityskäytössä. Lisäksi käyttöveden korkeamman 45

46 lämpötilan tuottamiseen tarvitaan mahdollisesti erillinen lämpötilankorotus tulistin Lämpöpumppulaitteiston investointikustannukset Lämpöpumppuun tehtävä investointi on suuri yksittäinen kuluerä, joka vaikuttaa siihen, onko lämpöpumppaus ylipäätänsä kannattavaa. Tavoitteena on saavuttaa luonnollisesti mahdollisimman lyhyt takaisinmaksuaika, joka on tehtyjen arvioiden perusteella saatavissa hyvinkin lyhyeksi suuren säästöpotentiaalin vuoksi (taulukko 17). Tarkkoja hintoja lämpöpumppuinvestoinnille ei voida määrittää, mutta suuntaa-antavia laskelmia voidaan tehdä eri valmistajilta saatujen tietojen pohjalta. Eri toimittajien lämpöpumppu vaihtoehtoja tutkiessa nousi esiin Oilon Scancoolin lämpöpumput, jotka vaikuttivat teknistentietojen perusteella käyttötarkoitukseen sopivilta laitteilta. Hinta-arviot lämpöpumpuille saatiin Oiloin Scancoolilta (30). Esimerkiksi Lämpöteholtaan 1 MW:n Oilon Chillheat 2xP450 yhdistelmälämpöpumppu, jolla voidaan tuottaa + 10-celsiusasteisesta vedestä + 70 C:n lämpöä, kustantaisi noin alv. 0 % (liite 2). Matalampaa lämpöä tuottavat laitteet ovat hieman edullisempia kuin korkeita lämpötiloja tuottavat. Esimerkiksi lämpöteholtaan 1 MW:n lämpöpumppu, jolla voidaan tuottaa +30-celsiusasteista vettä, maksaa noin alv. 0 % (liite 3). Toinen valmistaja, joka myy tähän tarpeeseen soveltuvia laitteita, on Calefa Oy. Calefan toimittamien lämpöpumppujen ominaisuuksia ja hintoja voi vertailla yrityksen verkkosivuilla olevalla kannattavuuslaskurilla (31). Verrattaessa Calefan lämpöpumppua Oilonin vastaavaan laitteeseen, jolla tuotetaan +10-celsiusasteisesta vedestä +70 C:n lämpöä 1 MW:n lämpöteholla, maksaa Calefan toteuttamana lämpöpumppu asennuksineen noin alv. 0 % (liite 4). Calefan tarjoama ratkaisu olisi hieman kalliimpi, mutta se sisältää suunnittelun, asennuskulut ja käyttöönoton. Calefan laskurilla selvitetään eri tehoisten lämpöpumppujen hankintahintaa, kun tuotetun veden maksimilämpötilaksi määritellään mitoitustilanteen mukainen +45 C (taulukko 18). 46

47 TAULUKKO 18. Lämpöpumppujen hinta-arviot (liitteet 5 7) Rakennuksen tyyppi Mitoitusteho kw Calefa lämpöpumpun hinta Olemassa olevat Matalaenergia Passiivi Vertailtaessa investointikustannuksia (taulukko 18) saavutettuun säästöön (taulukko 17) on laskettavissa, että lämpöpumppu maksaisi itsensä takaisin noin kahdessa vuodessa. Mikäli arvioidaan, että investoinnista syntyisi todellisuudessa noin 30 % enemmän kuluja, esimerkiksi asennuksien ja tarvittavien muutoksien vuoksi, tulisi takaisinmaksuaika silti olemaan alle kolme vuotta. Lämpimän käyttöveden tehontarve luvun perusteella on 161 kw. Lämpöpumpun, joka sopii kuuman +60-celsiusasteisen veden tuottamiseen 161 kw:n teholla, maksaa Calefan hinta-arvion perusteella noin alv. 0 % (liite 8). Tiedettäessä laitteiston hinta, voidaan sitä verrata lämpöpumpun arvioituun vuosittaiseen säästöön ja käyttövettä tuottavan lämpöpumpun takaisinmaksuajaksi tulee noin viisi vuotta. Käyttöveden lämmitykseen ei kuitenkaan välttämättä tarvita omaa lämpöpumppua vaan lämmin käyttövesi voidaan tuottaa myös lämmitysjärjestelmän lämpöpumpulla, johon asennetaan erillinen tulistin käyttöveden lämmitykseen. Rakennusten lämmityksen toteuttaminen lämpöpumpulla voisi olla hyvin kannattava ja suhteellisen helposti toteutettavissa oleva vaihtoehto, jolla voimalaitoksen jäähdytysveden lämpöenergiaa saadaan hyötykäyttöön. Laitosalueen suuri koko voi kuitenkin rajoittaa lämpöpumppauksen hyötysuhdetta varsinkin majoituskylän osalta, sillä se sijaitsee noin kahden kilometrin etäisyydellä voimalaitoksesta. Lämmönsiirron toteuttamista tulee pohtia, jos majoituskylän lämmitys toteutettaisiin jäähdytysvedestä lämpöpumppaamalla. Vaihtoehtona on siirtää jäähdytysvettä putkistoja pitkin majoituskylän lämpöpumpuille tai tuottaa voimalaitoksella lämpöpumpulla korkeampilämpöistä vettä siirrettäväksi. Matalalämpöistä jäähdytysvettä siirrettäessä veden jäähtyminen olisi vähäisempää, mutta siirrettävät määrät olisivat suurempia. COP-luku olisi myös suurempi, kun 47

48 lämpö voitaisiin tuottaa mahdollisimman lähellä käyttökohdetta. Silloin tuotettua vettä ei tarvitsisi siirtää pitkiä matkoja ja näin ollen lämpötila voisi olla alhaisempi. 4.2 Lämpöakku Laitoksesta tuleva jäähdytysvesi on lämpimintä kesäaikaan, jolloin myös merivesi saavuttaa korkeimman lämpötilansa. Silloin myös jäähdytysvesi sisältää eniten lämpöenergiaa. Lämpöenergian kulutus kesäaikaan on kuitenkin huomattavasti pienenpää kuin kylminä vuodenaikoina, jolloin taas laitoksesta tulevan jäähdytysvedenlämpötila on matala. Tämän haasteen vuoksi on mietittävä ratkaisua, jossa kesäaikana lämpöenergiaa varastoitaisiin käytettäväksi talviajalle, jolloin lämmityksen tarve on suurimmillaan. Suuresta hyödynnettävästä vesimassasta on etua ajatellen lämpöakkua, sillä kesäaikaan tehtävään lämmitykseen voitaisiin käyttää suuret määrät voimalaitoksesta tulevaa lämpöenergiaa. Silloin lämpöakkua ympäröivä maaperä lämpenisi vähentäen lämpöhäviöitä talviaikaan. Lämpöenergian varastointi voidaan jakaa lämpötilan mukaan kolmeen eri typpiin: matala-, keskilämpö-, ja korkealämpötilavarastointi (32, s. 12). Hanhikiven tapauksessa varastointitapa olisi matalalämpötilavarastointi. Lämpöä voidaan varastoida useisiin eri aineisiin. Yleisemmin sitä varastoidaan veteen, jonka ominaislämpökapasiteetti on korkeampi verrattuna yleisimpien kivilajien ominaislämpökapasiteettiin. Hanhikiven alueella maaperä koostuu 0 6 metriä paksusta irtopeitteestä, joka koostuu pääosin hiekasta ja moreenista. Lisäksi irtomaan kerroksessa esiintyy silttiä, savea sekä turvetta. Irtomaan alla sijaitseva kallioperä koostuu lähes kokonaan metakonglomeraatista (1, s. 144), joka on muodostunut aikojen saatossa sorasta ja hiekasta kivettyneestä sedimenttikivestä (32, s. 5). Metakonglomeraatin ominaislämpökapasiteetti on samaa luokkaa kuin yleisempien muidenkin kivilajien, eli noin 0,750 0,850 kj/kg C (32, s. 13). Hanhikiven tapauksessa lämpövarastointi olisi pitkäaikaisvarastointia, jossa käytettäisiin suurta varastoitavaa lämpömäärää. Tässä tilanteessa lämpöhäviöt olisivat verrattain pienet. 48

49 Suuret maanalaiset varastointitavat voidaan jakaa kolmeen eri päätyyppiin lämmönsiirtymisen toimintaperiaatteiden mukaisesti: 1. Virtausvarasto, jossa kaivantoon tai louhittuun kallioon johdetaan vettä, joka varastoi lämpöä. 2. Johtumisperusteinen varasto, jossa maahan porataan reikiä tai asennetaan putkia, joissa lämmin vesi varastoidaan. 3. Sekoitettu varasto, jossa varastoinnin väliaineena toimivat maa-aines ja vesi yhdessä. (32, s. 40.) Tarkastellaan esimerkkitilannetta, jossa jäähdytysvettä siirretään varastoon veden lämpötilan saavuttaessa kesällä huippunsa. Tässä tilanteessa veden lämpötila on noin +30 C. Tiedettäessä, että alle 100 C:n lämpötiloissa veden ominaislämpökapasiteetti on 4,19 kj/kg C (27, s. 178) voidaan laskea yhden vesi kilon lämpöenergian määrä, joka on 125,7 kj/kg. Mikäli lämpövarastoa haluttaisiin hyödyntää lämpöpumpulla, se olisi kannattavaa joulu-maaliskuun välisenä aikana. Silloin jäähdytysvettä hyödyntäessä hyötysuhde on huonoimmillaan ja lämmön tarve suurin. Taulukon 14 perusteella tarvittavan lämmitysenergian määrä tiedetään kyseisenä aikana. Esimerkkinä otetaan tarkasteluun suurin arvioitu kulutus joulumaaliskuun välisenä aikana, mikä on noin MWh. Varastoitavan veden määrää arvioidaan, kun tiedetään yhden kilon, eli yhden litran, sisältämä lämpöenergia. Tämä lämpöenergia voidaan laskea kaavalla 6 (27, s. 111). J s = W KAAVA 6 125,7kJ 3600s = 0,349kWh/kg. Kun tiedetään tarvittava lämpöenergian määrä, eli MWh, voidaan varastoitavan veden määrä laskea kWh 0,349kWh kg = Kg. 49

50 Yllä näkyvällä laskulla saadaan veden tiheyden, kg/m 3, avulla laskettua veden vaadittu tilavuus, joka on noin m 3. Mikäli lämpövaraston +30 C:n lämpöisestä vedestä tuotettaisiin +35 C:ta lämmitysvettä, mikä vastaa tammikuun keskilämpötilan perusteella lämmitysveden menolämpötilaa. Coolpack-ohjelmalla laskemalla COP-luvuksi saataisiin 11,6. Tuottaessa sama lämmitysvesi jäähdytysveden lämpötilasta +10 C olisi COPluku 5,5. Mikäli ei huomioida varastoitavan veden jäähtymistä ja muita lämmönvarastointiin liittyviä haasteita, olisi optimaalisimmassakin tapauksessa COPluku vain puolet suurempi. Tiedettäessä joulu maaliskuun välisen aikana lämmöntarpeen olevan noin MWh voidaan lämpöpumpun sähkönkulutuksen laskea olevan COP-luvun perusteella noin 310 MWh. Vastaavasti hyödynnettäessä suoraan laitoksen jäähdytysvettä olisi sähkön kulutus taulukon 15 mukaan noin 554 MWh, jolloin sähkön hinnan ollessa 50 /MWh, olisi saavutettava säästöä noin , neljän talvikuukauden aikana. Säästettyä summaa voidaan pitää kuitenkin erittäin vähäisenä verrattuna lämpöakun investoinnin ja käytön aiheuttamiin kustannuksiin, joten lämmönvarastointia ei ole tarpeellista käsitellä enempää. 4.3 OTEC OTEC, eli Ocean Thermal Energy Conversion, tarkoittaa laitteistoa, jolla voidaan hyödyntää meriveden pinnan ja pohjan välistä lämpötilaeroa sähköntuotantoon eräänlaisen lämpöpumppuprosessin avulla. Maailmalla käynnissä olevissa OTEC-tekniikkaa hyödyntävissä projekteissa lämpötilaero syntyy noin +25 C:n pintalämpötilan ja syvän veden noin +5 C:n lämpötilan välillä (kuva 11). Laitteiston toiminnan vaatimat olosuhteet sijaitsevat ympäristössä, jossa pinnan ja syvempien vesikerrosten lämpötilaero on ympäri vuoden noin 20 C:ta. Käytännössä parhaat olosuhteet sijaitsevat päiväntasaajan lähettyvillä sijaitsevilla merialueilla. (33.) 50

51 KUVA 11. OTEC-järjestelmän toimintaperiaate (34) Suomen olosuhteissa laitteiston käyttö vesistöissä suurten vuosittaisten lämpötilavaihteluiden ja pintaveden matalien lämpötilojen takia ei ole mahdollista. Hanhikiven tapauksessa tilanne on hieman erilainen, koska laitoksesta tuleva lämmin jäähdytysvesi kattaisi laitteiston lämpimänvedentarpeen. Tutkittaessa Hanhikiven läheisillä merialueilla tehtyjä tutkimuksia meriveden lämpötilasta selviää, että meren eri kerroksissa, välillä 0 12 metriä, suurimmat lämpötilan erot ovat noin 10 celsiusastetta. Vuodenajalla on suuri merkitys eri syvyyskerrosten lämpötilaan ja vain kesä-elokuun välisenä aikana päästän haluttuun 10 C:n eroon pinnan ja pohjan välillä. Laitteiston vaatima 20 C:n lämpötilaero voidaan saavuttaa, kun kesäaikaan jäähdytysveden lämpötila on C:n välillä ja samaan aikaan veden lämpötila 12 metrin syvyydessä on noin +8 celsiusastetta. (1, s ) Yksi vaihtoehto riittävän lämpötilaeron saavuttamiseksi on hyödyntää ulkoilman ja jäähdytysveden lämpötilojen eroa. Kyseinen vaihtoehto olisi mahdollista kylmimpinä kuukausina, jolloin ilman lämpötila laskee 0 C:n alapuolelle ja voidaan saavuttaa vaadittu 20 C:n lämpötilaero. Ilmasta lämpöä siirtäessä on kuitenkin huomioitava sen vettä huonommat lämmönsiirto-ominaisuudet. 51

52 OTEC-tekniikalle sellaisenaan ei ole juurikaan taloudellista potentiaalia johtuen sen lyhyestä vuosittaisesta käyttöajasta ja OTEC-laitteiston tutkimusvaiheessa olevasta tekniikasta, mutta sen käyttömahdollisuuksia kannattaa tutkia lisää myöhemmin tämän tekniikan yleistyessä. 4.4 Pihojen sulatus talvella Voimalaitoksen alueelle tulee asfaltoituja alueita, joiden talviaikaiseen sulanapitoon voitaisiin mahdollisesti hyödyntää jäähdytysveden lämpöenergiaa. Talviaikaan pihojen kunnossapidosta syntyy kustannuksia esimerkiksi aurauksen ja hiekoituksen vuoksi. Vaihtoehtoisesti voidaan ajatella, että tärkeimmät ja eniten käytetyt piha-alueet pidettäisiin sulana talvikauden aikaan, jotta aurausta ja hiekoitusta ei tarvitsisi suorittaa. Lämpöenergiana sulatusjärjestelmässä hyödynnettäisiin voimalaitoksen jäähdytysvettä joko suoraan tai lämpöpumpulla. Päällystetyiden alueiden sulanapito talviaikaan on nykyään yleistä kaupunkien keskusta alueilla, joissa lumenaurauksesta ja hiekoittamisesta on haluttu luopua. Hyvänä esimerkkinä käy Oulun keskustassa sijaitsevan Rotuaarin sulanapito talviaikaan. Rotuaarin tapauksessa lämmitykseen tarvittava lämpöenergia otetaan lämmönvaihtimilla ensisijaisesti kaukolämmön paluuvedestä, mutta tarpeen vaatiessa myös tulopuolen lämpöä käytetään, mikäli lämmityksen tarve kasvaa kylmemmissä oloissa Sulanapidon hyötyjen ja haittojen vertailu Suurimmat hyvät puolet sulanapidossa ovat pihojen talvikunnossapidon merkittävä väheneminen ja siitä saatavat säästöt. Suolauksen ja hiekoituksen tarve poistuu eikä hiekkaa ei kulkeudu kiinteistöiden sisätiloihin, mikä osaltaan vähentää siivouksen tarvetta. Myöskään keväistä piha-alueiden hiekanpoistoa ei tarvitsisi suorittaa. Yhtenä merkittävänä seikkana voidaan pitää liukastumisonnettomuuksista johtuvien tapaturmien ehkäisemistä. Sulana pidetyille alueelle satanut lumi sulaa nopeasti, jolloin kinoksia tai kasoja ei pääse kertymään, minkä seurauksena aurauksen tarve on käytännössä olematon. (35, s. 9.) 52

53 Sulanapitoon liittyy myös mahdollisia haittapuolia, joista suurimpana voitdaan pitää sulanapitojärjestelmän investointikustannuksia. Investointikustannukset tulisivat olemaan merkittävät. Mikäli järjestelmää ei suunnitella tarpeeksi tehokkaaksi, voi lunta ja sohjoa kertyä pinnoille kun lunta sataa kerralla suuria määriä. Veden lammikoituminen voi myös olla ongelma, mikäli viemäröintien suunnittelu on puutteellista. Sulana pidetyn ja sulattamattoman alueen rajoille voi myös muodostua liukastumisvaarallisia paikkoja, joiden huomiotta jättäminen voi aiheuttaa tapaturmia. Myös käyttökatkokset sulanapitojärjestelmässä voivat aiheuttaa pintojen äkillisen jäätymisen, mikä voi osaltaan kasvattaa tapaturmariskejä. (35, s. 9.) Sulatuksen toteuttaminen Lämmitysjärjestelmä toteutetaan yleensä nestekiertoisella lämmitysputkistolla tai sähkölämmityskaapeleilla. Tässä työssä keskitytään nestekiertoiseen ratkaisuun, koska siinä runsaasti saatavilla olevaa jäähdytysveden lämpöenergiaa voidaan käyttää hyödyksi. Piha-alueen lumen sulatukseen tarvittava lämpöteho on noin 300 W lämmitettyä neliömetriä kohden (35, s.11). Lämpöteho on järkevintä tuottaa mahdollisimman edullisella ja hyvin saatavilla olevalla energianlähteellä, kuten tässä tapauksessa jäähdytysvedellä. Piha-alueen sulana pitämisen perusperiaatteena voidaan pitää sitä, että lämmitettävän pinnan lämpötila pidetään vähintään +3 C:sa. Lämmitysputkistoissa kiertävän nesteen lämpötilan optimaalisena vaihteluvälinä pidetään C:ta tilanteessa, jossa putket ovat mm lämmitettävän pinnan alapuolella. (35, s.11.) Jäähdytysveden lämpötila vaihtelee C:n välillä loka-huhtikuun välisenä aikana, jolloin sulana pidolle voi olettaa olevan tarvetta. Mikäli sulatus haluttaisiin toteuttaa suoraan jäähdytysvedenlämmön avulla, vaatisi se todella suuren veden virtauksen sekä mahdollisesti putkien asentamisen lähemmäksi pintaa. Parempi vaihtoehto olisikin toteuttaa lämmitys lämpöpumpulla, jolla saadaan tuotettua käyttötarkoituksen kannalta sopivanlämpöistä lämmönsiirtonestettä. Seuraavana lasketaan lämpöpumppauksen COP-luku, jotta voidaan arvioida kulutettavaa sähköenergiaa. Sulatusjärjestelmän lämpötilaksi otetaan +37 C ja 53

54 jäähdytysveden lämpötilaksi +10 C, joka vastaa tammikuun olosuhteita. Coolpack-ohjelmalla laskemalla saadaan COP-luvuksi 5,27. Kun tiedetään, että sulatukseen tarvitaan noin 300 W/m 2 lämpöteho ja arvioidaan sulana pidettävän alueen pinta-alaksi esimerkiksi m 2, kuluu kuukaudessa jatkuvalla lämmityksellä energiaa seuraavasti: 300W m m 2 31d 24h = kwh/kuukausi. Lämpöpumpun sähkönkulutus kuukaudessa voidaan laskea kertomalla lämmitysenergian tarve COP-luvun käänteisluvulla: kWh 1 = kWh/kuukausi. 5,27 Sähkön hinnan ollessa 50 /MWh on kuukausittaisen sulanapidon hinta Jos pihoja lämmitetään esimerkiksi marraskuusta toukokuuhun, voidaan sähkön hinnaksi arvioida noin Todellisuudessa kulutus tulisi vaihtelemaan sääolosuhteiden mukaan. Pelkkään pihojen lämmityskäyttöön lämpöpumpun investointi tulisi olemaan kallis. Myös sulatettu pinta-ala tulisi luultavasti olemaan suurempi kuin m 2 ja kustannukset kasvaisivat entisestään. Yksi mahdollinen vaihtoehto olisi toteuttaa sulatus osana rakennusten lämmitystä lämpöpumpun avulla. Esimerkiksi tuotettaessa lämmitysjärjestelmän tarvitsemaa lämpöä lämpöpumpulla saataisiin erillisellä alijäähdytyslauhduttimella hyödynnettyä kylmäaineeseen jäljelle jäänyttä lämpöä. Samalla parannettaisiin myös lämpöpumppuprosessin kokonaishyötysuhdetta ja toimivuutta kylmäaineen palatessa paisuntaventtiiliin kylmempänä. 4.5 Jäähdytysveden ottokanavan sulanapito talviaikaan Talvella meren ollessa jääpeitteetön on olemassa riski, että jäähdytysveden ottokanavaan syntyy alijäähtynyttä vettä. Joutuessaan kanavan rakenteisiin alijäähtynyt vesi voi kiteytyä erittäin nopeasti kiinteäksi jääksi. Tätä kutsutaan niin sanotuksi suppoilmiöksi. Suppo voi syntyä, kun ulkolämpötila laskee 0 C:n ala- 54

55 puolelle ja voimakas tuuli aiheuttaa veteen turbulenssin. Turbulenssin vuoksipinnalla syntyneet jääkiteet joutuvat pinnan alle, ja sitä kautta imuputkistoon. Imuputkistossa ne kiteytyvät rakenteisiin virtauksen häiriintyessä. Rakenteisiin kertynyt jää voi haitata, tai pahimmassa tapauksessa estää, jäähdytysveden virtauksen. (36, s.7.) Supon syntymistä voitaisiin estää johtamalla imupäähän lämmintä vettä, mikä estäisi veden alijäähtymistä. Tähän tarkoitukseen lämmennyt jäähdytysvesi voisi olla mahdollinen ratkaisu, koska sitä on runsaasti saatavilla ja se johdetaan joka tapauksessa mereen. Jäähdytysveden suuren saatavilla olevan määrän vuoksi on sillä mahdollista estää alijäähtyneen veden kiteytyminen, vaikka sen lämpötila on talvella vain noin +10 C. Jäähdytysvettä ei kuitenkaan kannata lämmittää turhaan silloin, kun supon syntymisen mahdollisuutta ei ole. Kuvassa 12 näkyy imukanavan ja purkuputken sijainnit Hanhikivenniemellä. Imukanava tulee sijaitsemaan aallonmurtajilla suojatussa satama-altaassa 4 11 metrin syvyydessä. Altaan syvyys tulee olemaan 8 12 metriä. (1, s. 131.) Purkuveden aiheuttama lämpövaikutus koskee myös ottokanavan sijaintia. Tietokonemallinnusten mukaisesti purkuvesi pitää jääalueen sulana ja ohuena pääasiassa Hanhikiven pohjois- ja itäpuolella. Erilaisten olosuhteiden vaikuttaessa virtauksiin, on mahdollista, että jää pysyy sulana myös länsipuolelta Hankikivenniemeä. Tämä aiheuttaisi tilanteen, jossa kanavan päällä oleva vesimassa pysyy sulana koko talven. Sulana pysyvä vesi taas aiheuttaa vaaran supon syntymiseen. (1, s. 138.) 55

56 KUVA 12. Imu- ja purkukanavan sijainti (1, s. 132) 56

57 5 KÄYTTÖKOHTEITA LAITOSALUEEN ULKOPUOLELLA 5.1 Käyttö kaukolämpönä Jäähdytysveden käyttö kaukolämpönä ei ole suoraan mahdollista matalan lämpötilan takia. Mikäli haluttaisiin tuottaa kaukolämpöä vastapainevoimalaitoksen tapaan, prosessia täytyisi muuttaa. Tämä taas laskisi sähköntuotannon hyötysuhdetta. Kaukolämpökäyttöön soveltuvan lämmön tuottaminen lämpöpumpulla voisi olla periaatteessa mahdollista, mutta lämpöpumpun COP-luku olisi silloin vain hieman yli 1. Erittäin huonon COP-luvun takia sähköenergiaa kuluisi siis lähes saman verran kuin lämpöä saataisiin tuotettua, mikä tekisi lämpöpumppauksesta kannattamatonta. Ongelmana on myös se, että lämmön tarve Raahen ja Pyhäjoen alueella on pieni. Näin ollen kaukolämmöntuotanto ei olisi kannattavaa. Myös kaukolämmön siirtämistä putkistoja pitkin Ouluun on harkittu, mutta huomioiden Oulun kaukolämmön tuotantorakenteen sekä noin 100 kilometrin etäisyyden, on sen todettu olevan kannattamatonta (1, s. 57). 5.2 Asuinalueen lämmitys Ydinvoimala tulee työllistämään käytön aikana noin henkilöä. Kun oletetaan, että kaikki työntekijät tulisivat talousalueen ulkopuolelta ja heistä 85 % muuttaisi asumaan Pyhäjoen talousalueelle, olisi keskimääräisellä perhekoolla 2,1 laskettuna alueelle tulevien ihmisten määrä noin (1, s. 188.) Mahdollisen muuttoliikkeen takia Pyhäjoen talousalueelta tulisi löytää asuntoja kasvaneelle väestölle, jolloin asuntojen tai jopa asutusalueiden rakentaminen voi tulla ajankohtaiseksi. Jos mahdollisia asuntoja rakennettaisiin, niiden sijoituksessa voitaisiin ajatella mahdollisuutta, että lämmitysenergian tarve täytetäisiin ydinvoimalasta saatavan jäähdytysveden energialla. Mahdollisten asuntojen sijoittamista laitoksen läheisyyteen rajoittaa kuitenkin viiden kilometrin suojaetäisyys, jonka sisään ei saa sijoittaa tiheää asutusta tai muita rakennuksia, joissa oleskelee tai käy huomattava määrä ihmisiä (1, s. 91). Ajatellessa lämpöenergian siirtämistä kohteeseen tulee miettiä sen järkevyyttä ja siihen soveltuvia menetelmiä. Kuten aiemmin tässä työssä on mainittu, ei 57

58 ydinvoimalan jäähdytysveden lämpötila suoraan sovi rakennusten lämmitykseen. Olisi siis käytettävä lämpöpumppausta, jolla tuotettu kuuma vesi siirrettäisiin esimerkiksi kaukolämpöputkia pitkin asuinalueelle. Erona kappaleessa neljä tehdyille laskelmille rakennuksen lämmityksessä on se että etäisyys tulisi olemaan ainakin viisi kilometriä, jolloin tuotetun veden täytyisi olla huomattavasti kuumempaa lämmönsiirrosta aiheutuvien häviöiden takia, mikä taas aiheuttaisi huonomman COP-arvon, kuin laitosalueen kiinteistöitä lämmittäessä. Lisäksi mahdollisten kaukolämpöputkien rakentamisesta aiheutuisi merkittäviä kustannuksia. 5.3 Kasvihuoneen lämmitys Kasvihuoneiden lämmitys talviaikaan vie paljon energiaa. Jäähdytysveden ylijäämälämpöä voitaisiin mahdollisesti hyödyntää kasvihuoneiden lämmitykseen, koska sitä on runsaasti saatavilla ympäri vuoden. Energiaa jäähdytysvedestä voitaisiin hyödyntää lämpöpumpun avulla. Lämpöpumpussa lämpötila nostettaisiin kasvihuoneen lämmitysjärjestelmän vaatimalle tasolle Suomalaiset kasvihuoneet Tyypillisesti suomalainen kasvihuone on perheyrityksen hoitama ja on pintaalaltaan noin m 2 (37, s. 3). Kasvihuoneissa lähes 60 prosenttia tuotantokustannuksista kuluu tuotantotarvikkeisiin. Tästä 60 %:sta viidennes tulee lämmityskustannuksista (37, s. 14) (kuva 13). Lämmityksen suurien kustannuksien vuoksi on mietittävä edullisimpia vaihtoehtoja lämmityksen toteutukseen. 58

59 KUVA 13. Tarvikekustannuksien osuudet kasvihuoneissa (37, s. 14) Kasvihuoneen lämmitysratkaisut Maalämpö, joka kerää lämmön maaperästä lämpöpumpulla on todettu toimivaksi ratkaisuksi kasvihuoneiden lämmityksessä (37, s. 19). Hyödynnettäessä lämmönlähteenä voimalaitoksen jäähdytysvesiä voitaisiin COP-arvo saada paremmaksi kuin maalämmöllä. Voimalaitoksen jäähdytysveden lämpötila on korkeampi verrattuna maalämpöön, joka hyödyntää maaperän noin C:n lämpötilaa. Maalämpö ottaa nimensä mukaisesti lämpönsä maasta. Samalla se jäähdyttää maaperää, mikä aiheuttaa COP-arvon huonontumista maan kylmetessä. Jäähdytysveden lämpöä käyttäessä lämpöä saataisiin tasaisesta ja ennustettavasti vuoden ympäri, koska jäähdytysveden virtausmäärät ovat valtavat Jäähdytysveden hyödyntämistä lämpöpumpulla kasvihuoneessa Otetaan esimerkkitapaukseksi kasvihuone, jossa kasvatetaan ympärivuotisesti kurkkua. Maa- ja elintarviketalouden taloustutkimuksen mukaan valotetussa kasvihuoneessa kasvatetun kurkun ympärivuotiseen viljelyyn kuluu lämpöenergiaa noin MJ viljeltyä neliömetriä kohden vuodessa. Kilowattitunteina se vastaa 361 kwh lämpöenergiaa. Energiaa kuluu myös valaistukseen 225 W/m 2 vuodessa, myös valaistus lämmittää kasvihuonetta. (37, s. 24). Esimerkissä 59